Чугунные печи: свойства, обзор и выбор оптимальной исходя из цели

Содержание:

Почему чугун?
Выбираем печь
Для бани
Камин
Для дачи

Автор: Колесников Юрий Фёдорович, инженер-теплоэнергетик*

Чугунные печи тепловой мощности до 10-12 кВт привлекательны прежде всего экономически: покупка, доставка и установка чугунной печи вместе с устройством дымохода для нее обойдутся не менее чем в 15-20 раз дешевле, чем постройка кирпичной в существующем доме. Причина – соотношение веса и теплотехнических параметров той и другой. Чугунная печь на 5 кВт весит ок. 100 кг; равноценная ей кирпичная – 800-1000 кг. При мощности 7 кВт веса той и другой будут ок. 150 кг и 1,5 т. Разница принципиальная: нормальная несущая способность пола в жилом доме – 250 кг/кв. м. Т.е., чугунную печку можно просто поставить на противопожарную отмостку, а для кирпичной в любом случае нужен фундамент. Но, если требуется мощность печи свыше 15 кВт, по теплотехнике чугунная печь начинает катастрофически отставать от кирпичной и появляется потребность в капитальных строительных работах для ее установки. Это первое ограничение, определяющее область применения чугунных печей.

Примеры дизайна чугунных печей

Чугунные печи для дома хороши и тем, что изготавливаются в самом разнообразном оформлении, см. рис. – отпадает необходимость в затратах труда и денег на отделку печи. Однако чугунная печка способна отапливать только одну комнату: встраивать ее в простенок нельзя по правилам безопасности. В тесном контакте с инородными материалами вероятность возникновения трещин в хрупком чугуне возрастает в многие разы, и тогда остается или останавливать печь, или гореть и угорать. Чугунная печь должна эксплуатироваться в открытом пространстве – это второе важное ограничение области ее применения. И третье, по той же причине – чугунная печь не может быть жизненно важным отопительным прибором длительного и/или непрерывного действия. Включая отопительную печь с водяным контуром и котел длительного горения. Трещина в них способна вызвать аварию с тяжелыми и даже трагическими последствиями.

Итого можно выделить случаи, когда вопрос об установке чугунной печи нужно рассмотреть в первую очередь:

Чугунные печи для бани – обеспечивают наивысшее качество и благотворное влияние банных процедур. По пожарной и медико-санитарной безопасности лишь немного уступают кирпичным, сложенным вместо глины на влагостойком печном клею. Прогреваются практически так же быстро, как сварные из спецстали. Правильно истопить баню с чугунной печью способен неопытный начинающий банщик.
Декоративные домашние чугунные печи-камины возможно использовать в любом помещении, где есть или можно устроить отдельный дымоход. И в то же время такой прибор будет обогревать помещение лучше английского камина вследствие особых свойств его основного конструкционного материала, см. далее. В частном доме или квартире со счетчиками тепла это даст существенную экономию на отопление – загруженное в камин топливо сгорит не просто для красоты.
Дачные чугунные печи с возможностью установки казана и специальная под казан

Чугунная печь для дачи на весну-лето-осень и/или отопления подсобных помещений. Покупая такую, можно уложиться в 7-8 тыс. руб. за печку на 12 кВт, способную обогреть в межсезонье домик до 4х6 м. Варочная дачная чугунная печка позволит орудовать летом на кухне, не рискуя перегреться. Как правило, дачные чугунные печи комплектуются наборной конфоркой, позволяющей готовить в казане. Есть и специальные чугунные печи под казан, умело приготовленные блюда восточной кухни из которых похвалит самый взыскательный гурман.

Почему чугун?

Способность чугунной печи конкурировать с кирпичной по теплотехнике и технологическим кулинарным качествам определяется в первую очередь свойствами самого чугуна:

Химической стойкостью;
Жаростойкостью и жаропрочностью;
высокой теплоемкостью.

Чугун плохо поддается действию химически агрессивных веществ; особенно кислот. При попадании кислоты на чугун происходит т. наз. пассивирование его поверхности. В сосудах из пассивированного чугуна объемом вплоть до железнодорожных цистерн перевозят концентрированную серную кислоту. Поэтому вероятность повреждения чугунной печи кислотным конденсатом от некачественного топлива и/или неправильной топки ничтожна. Дровяная чугунная печь действительно всеядна: работает на чем угодно от бросового древесного топлива до антрацита, только тепловая мощность меняется.

Пассивирование поверхности чугуна происходит не только под действием кислот. Как следствие – чугун довольно плохо смачивается любыми жидкостями и к нему слабо пристает нагар. В металлургии из чугуна делают литейные ковши, а в быту – чугунная печка чистится легче прочих.

Коэффициент температурного расширения (ТКР) чугуна меньше, чем у стали. До некоторой степени это связано с его особыми теплотехническими свойствами (см. ниже). Расширяясь, чугунные детали до некоторого температурного порога (см. далее) сохраняют свою конфигурацию и не дают остаточных термических деформаций. Также до того же температурного порога механические свойства чугуна снижаются мало.

Особое значение в печном деле имеет теплоемкость чугуна – она не только выше, чем у стали, но и от температуры зависит нелинейно. Объясняется это тем, что в чугуне при нагреве происходят обратимые фазовые изменения, на которые расходуется энергия сгорающего топлива. Этот же фактор уменьшает ТКР чугуна – часть притекающего тепла расходуется не на расширение материала, а на изменение его структуры. При остывании печи поглощенное «на фазу» тепло выделяется обратно вполне аналогично скрытой теплоте в других физико-химических процессах, что увеличивает время ее теплоотдачи. Не погрешив особо против истины, можно сказать, что чугун обладает скрытой теплоемкостью.

На практике это значит очень много. В начале топки чугунная печь прогревается почти так же быстро, как стальная. Когда температура стенок топки достигнет 430-450 градусов, начинается «обратимая фаза» и температура наружной поверхности печи растет гораздо медленнее, чем стальной. Чугунная печь становится источником интенсивной конвекции, быстро прогревающей помещение, но не жжется тепловым (инфракрасным, ИК) излучением. Но обратимые фазовые изменения в печном чугуне (см. далее) имеют предел. Поэтому при необходимости отопительная чугунная печь эпизодически может быть перетоплена до красного каления, что увеличит ее тепловую мощность в 1,5-2 раза. Если форсировать топку чугунной печи вдвое раз-два в неделю, то во столько же снижается заявленный ее производителем срок службы печи, но, вдруг во время пребывания на даче ударили нежданные холода, такого «перетопа» никакая другая печь не выдерживает.

Что такое чугун

«Чугуний» из анекдота про Чапаева и чугун как конструкционный материал вещи очень разные. Белый передельный чугун (поз. 2 на рис. ниже), в котором углерод находится в виде цементита Fe3C, в печном деле не используется: его фазовые изменения при нагреве необратимы. Но и серый конструкционный чугун (поз. 1, графитовый; углерод в форме графита) выпускается в большом количестве марок для различных целей. Чтобы правильно выбрать чугунную печь сообразно ее назначению и/или определить пригодность для нее же приглянувшейся, придется отвлечься на начальные сведения о чугуне как чугуне.

Внешний вид серого и белого чугуна

От доэвтектики к заэвтектике

Сталь и чугун являются эвтектическими сплавами железа Fe и углерода C, т.к. на изломе или шлифе под небольшим увеличением микроскопа или просто под лупой отчетливо видны гранулы компонент. Свойства эвтектических сплавов всегда существенно отличаются от таковых составляющих эвтектику компонент. Но эвтектика Fe-C сильно отличается от металлических эвтектических сплавов.

В металлических эвтектиках соотношение содержания компонент, как правило, может быть произвольным, вплоть т.е. до чистого металла. Свойства металлических эвтектик в зависимости от долей компонент в сплаве меняются достаточно плавно от 100% одного до 100% другого (для 2-х компонентных сплавов). Напр., температура плавления сплава свинца с оловом имеет довольно плоский минимум при содержании последнего 61%, что позволяет получать припои для пайки при различной температуре. Золото ювелирной 585-й пробы (58,5% Au; остальное – Cu + присадки) по блеску почти не уступает золоту чистоты 9999, но сопротивляется истиранию гораздо лучше, чем медь и золото.

Содержание углерода в сплаве с железом не может быть произвольным: если C в сплаве больше 6,67%, то отливка может распасться на куски уже застывая в кокиле (литейной форме), а готовое изделие будет чрезвычайно хрупким. Поскольку попадание воды на любую чугунную печь не исключено, предельное содержание C в печном чугуне до 3,8% для дачной печи или камина и не более 3,0% для банной печи.

Если содержание углерода в сплаве менее 2,14%, то это уже сталь. Особые теплотехнические свойства чугуна прослеживаются «вниз» до 2% углерода, но хорошо проявляются при его содержании от 2,6%. Вместе с тем при повышении доли C в сплаве растет и его хрупкость. Поэтому для дачной печи лучше подойдет чугун с содержанием углерода от 3,0-3,2%, для печи в сауну, которая должна нагревать до 400-450 градусов большую каменку – с содержанием углерода 2,8-3,0%, а для печи в русскую баню, где в каменку обязательно наддают водой или квасом – с содержанием углерода 2,5-2,8%. В декоративной печи-камине из чугуна содержание углерода в нем может быть любым. Если же от камина требуется и отопление, чугун для него нужен с долей углерода до 3,8-3,9%, см. далее.

Чугун с долей C до 4,3% в металловедении называется доэвтектическим, т.к. его свойства в этом диапазоне содержания углерода меняются плавно и не очень сильно. Чугун с 4,3% C – эвтектический, т.к. отличия его свойств от таковых железа при 4,3+/–0,05% C (напр. температура плавления) дают резкий пик или провал. В печном деле эвтектический чугун не применяется, т.к. в нем «скрытая теплоемкость» практически отсутствует, а температура плавления падает до 1100 градусов, тогда как в топке печи может быть 1200. Заэвтектический чугун с более чем 4,3% C обладает наибольшей теплоемкостью, наиболее жаростоек и тверд, но и очень хрупок. В конструкциях печей применяется ограниченно, напр. для колосников.

Примечание: в металлургии и машиностроении чугуны различаются также по модификации металлической основы – чугун аустенитовый, перлитовый, ферритовый, перлитоферритовый. Для деталей печи это несущественно.

Марки чугуна

В спецификации на печь процентного содержания углерода в ее чугуне вы скорее всего не найдете. Там (или в подробном описании на фирменном сайте) могут быть указаны марки чугуна, из которых сделана печь или отдельные ее детали. Прежде всего, если увидите П (передельный) или ПФ (передельный фосфористый) с цифрой – не берите однозначно. Печь из чугуна ПВК (передельный высококачественный) сойдет как варочная для использования от случая к случаю, напр., на дачу выходного дня. Далее, в порядке возрастания качества и цены печи:

СЧ (серый с пластинчатым графитом) – бюджетная дачная печка, преимущественно варочная.
ВЧ (высокопрочный с шаровидным графитом) – регулярно топящаяся дачная печь, недорогая домашняя печь-камин.
КЧ (ковкий) – сауна, домашняя русская баня с парилкой до 12 куб. м.
Ч (легированный специальный) – для любой печи при определенном соотношении параметров (см. ниже).

Примечание: антифрикционные чугуны с первой буквой А в обозначении марки для печей не предназначены. Но печь из такого чугуна (вдруг попадется) хуже не будет, только дороже.

После букв в обозначении чугунов идут 2 числа через черточку. Если оба они 2-х значные, это обозначение пределов прочности на растяжение и изгиб в кгс/кв. мм. Для печи важны не абсолютные их значения, а отношение прочности на изгиб к таковой на растяжение. Если оно выше 2,2 или 2,0 для банной печи, то данный чугун слишком хрупок. Напр., печь из СЧ15-32 вполне пригодна как дачная, а в разы более твердый чугун СЧ60-150 для печей вообще непригоден.

Если второе число одна цифра, то первое обозначает временную прочность на растяжение (временное сопротивление разрыву), а вторая – относительное (в %) удлинение при разрыве (предел пластичности). Для варочных печей эпизодического пользования и декоративных печей-каминов допустим предел пластичности в 2%, для отопительно-варочных 3-4%, для печи в сауну не менее 4%, а вот в русскую баню лучше ставить чугунную печь с пределом пластичности материала от 5-6% Временное сопротивление разрыву чугуна для банной печи должно быть не ниже 30 кгс/мм; для прочих – несущественно.

Примечание: для декоративно-отопительного чугунного камина оптимален чугун с пределом пластичности до 3% или с отношением прочности на изгиб к ней же на растяжение 2,5 и выше. Почему – см. далее.

О легированных чугунах

Посмотрите на рис. Печь-камин слева на нем выкрашена кузнечной патиной, а справа – термостойкой эмалью.

чугунные печи-камины, выкрашенные кузнечной патиной и термостойкой эмалью

Последняя позволяет наводить полутона и создавать художественные изображения; патина – нет. Разница в стоимости? Держитесь, в 5 (!) раз. Черная печка – ок. 50 тыс. руб; цветная – ок. 250 тыс. их же. Во буржуи дают? 4/5 цены «за звездочку»?

Нет, цены честные. Вспомним: чугун плохо смачивается. Покраску патиной фиксируют обжигом, а чугуну под эмаль нужна дорогая, вредная экологически и для персонала пескоструйная обработка деталей, а затем – поверхностное легирование мощным промышленным лазером. Имейте в виду. И не пытайтесь раскрасить чугунную печку сами: краска если не створожится в хлопья вслед за кистью, то при первой же топке облезет.

Выбираем печь

Чугунные печи различного назначения в РФ выпускают немало производителей. Ведущие хорошо известны:

Балезинский литейно-механический завод
Бренеран
ГК Мета
Теплодар
Экокамин

Примечание: чугунные печи известных иностранных производителей – ABX, Edilkamin, EFEL, Harvia, Guca, Kastor, La-Nordica, Tulikivi и др. – той же категории качества, что и ведущих российских. Но цены на них совсем другой категории – растаможка, санкции, хоть и косвенно.

Однако, во-первых, и китам отрасли репутация частенько мешает. Все, напр., знают, что Везувий это банные печи. Между тем в продаже найдется относительно недорогая, но хорошая чугунная печь Везувий для дачи. Напр., Везувий Т180 (оригинальный дизайн) или Везувий Триумф, см. видео:

Видео: обзор печи из чугуна Везувий Триумф

Во-вторых, и в своей епархии у ведущих имеются небольшие, но достойные конкуренты. Особенно в области наиболее востребованных банных печей из чугуна, см. ниже.

Для бани

Как правильно построить, истопить баню, как в ней париться – темы отдельные. Тем более, что предпочтений относительно конструкции банной печи с каменкой столько же, сколько и банщиков. Пока бесспорны всего два обстоятельства. Первое: проточная каменка, сквозь которую проходят дымовые газы – пережиток времен черных бань. Люди в банях с проточными каменками угорают систематически, а при наддаче в такую водой вылетает облако сажи.

Второе – огромная каменка-корзина, облекающая всю печь, кроме топочной дверцы и поддувала, пригодна лишь для общественной сауны с истопником при мощной печи. Причем и в этом случае должна заполняться особыми породами камня: талькохлоритом (стеатитом, талькомагнезитом, жировиком, мыльным камнем, печным камнем, горшечным камнем – синонимы) или змеевиком (аптекарским камнем). Причина – банную печь-корзину нужно протапливать до полусуток и более, пока все камни не прогреются до нужной температуры. Зато потом смены парящихся могут меняться непрерывно и часто, не сбивая пара, лишь бы печь топилась.

Мы же далее займемся техническими вопросами выбора чугунной банной печи, справедливыми при выборе печи для русской и финской бани, с открытой и закрытой каменкой. Правильно подобранная банная печь из чугуна прослужит не менее 7-10 лет и позволит получать как мягкий, та и ядреный пар. Об общих критериях выбора банной печи и отзывах о них можете посмотреть еще одно видео ниже:

Видео: обзор чугунных печей для бани

Длительность теплоотдачи после топки для банной печи не критична, т.к. большая часть необходимого тепла запасается в каменке. Гораздо большее значение имеет временное сопротивление материала разрыву – именно оно спасает печь от растрескивания при попадании на нее воды. Тут важно знать, что временная прочность на разрыв сильно падает при перегреве печи, т.е. при форсировании топки.

Конструкции банных печей сложились вполне и ничего принципиально нового в них за последние годы не внесено. Печи Вулкан чугунной серии Легенда (поз. 1-4 на рис.) и Гефест (поз. 5 и 6) неспециалист на глаз не отличит друг от друга. Марки чугуна, из которого они изготовлены, найти трудно – ноу-хау фирмы. Но их создатели соблюдают основной принцип конструирования банных чугунных печей: не гнаться за прочностью чугуна. Чем меньше в нем углерода, тем лучше чугун пропускает ИК, необходимые для прогрева каменки. Исключение – вентилирумая каменка, но в сауне ее нужно греть очень долго, а в русской бане ядреного пара от нее не получишь. И в то же время низкоуглеродистый чугун более жаропрочен. Поэтому, если будете выбирать банную печь по марке чугуна, смотрите. Чтобы первое число в ее обозначении было ближе к указанным выше нижним пределам.

Второе – печь подбирайте по нижнему пределу указанных в ее описании объемов парной. Напр., ваша парилка на 13 кубов. Приемлемы по цене 3 печи: для парной на 10-15 кубов и на 12-20. Берите вторую. Почему? Фазовые изменения чугуна не идеально обратимы. Печи, которая никогда не сгорает, пока нет и не предвидится. Чем интенсивнее печь топится, тем быстрее она выйдет из строя. Первую из указанных придется топить почти на максимале, а вторую ближе к минималу. Послужит она поэтому в разы дольше. Показательный пример: печь Гефест ПБ-04М почти единодушно хвалят, а вот о Гефест ПБ-03 отзывы противоречивые. Но это же конструктивно практически одна и та же печь, только размеры разные! Разобраться толком – менее мощную ПБ-03 берут ради экономии и ставят в парную предельно, или даже запредельно, для нее большую. В общем, смотрите, настолько ли вы богаты, чтобы позволить себе покупать дешевые вещи.

И третье – не упускайте из виду производителей второго-третьего эшелонов (печи Сударушка, Сурья и др.). Стараясь удержаться на плаву перед лидерами рынка, они уделяют должное внимание качеству своей продукции. И нередко в спецификациях дают марки чугуна в печи подетально, что позволяет выбрать печь с полным знанием дела. Благодаря такому подходу некоторые из представителей банно-печного андеграунда активно догоняют лидеров, см. напр. обзор тверских банных печей из чугуна Березка:

Видео: обзор чугунной печи для бани Березка

Камин

Бесспорные лидеры рынка декоративных чугунных печей-каминов на сегодняшний день итальянские фирмы Edilkamin, La-Nordica, бельгийская FEEL и сербская Guca. Но, скажем, отечественные Теплодар ничуть не хуже. Тут все зависит не столько от ваших финансовых возможностей, сколько, если можно так выразиться, от направленности пиетета. По качеству и художественным достоинствам литых декоративных деталей российские чугунные камины никак не уступают иностранным. Каслинское литье – это ведь Россия. Кроме того, почти все чугунные печи-камины, кроме скандинавских и чешских (см. ниже) сделаны из… китайского чугуна, которого Поднебесная выплавляет едва ли не больше, чем все остальные производители мира вместе взятые. Китайский чугун совсем неплохой, но литейные качества российского все же лучше.

Если же чугунная печь камин нужна вам и для отдыха у огонька, и для отопления, то из иностранных обратите внимание на финские Harvia, Helo, Kastor, чешские ABX и немецкие Schmidt. Из отечественных – на Вулкан, Ермак, Термофор. Но в любом случае убедитесь, во-первых, что стекло топки термопрозрачное (ИК-прозрачное).

Второе – что топка печи из высокоуглеродистого чугуна; возможно, даже из заэвтектического. Чем больше в чугуне углерода, тем лучше он отразит в помещение ИК. Если сфотографировать через ИК-светофильтр печную сажу или графитовый кирпич, они покажутся светло-серыми, почти белыми. Не все в природе такого цвета, как мы видим. Высокая хрупкость науглероженного чугуна в данном случае не помеха, т.к. топка от попадания на нее воды защищена другими деталями печи. А вот высокая «скрытая теплоемкость» высокоуглеродистого чугуна позволяет получить феноменальный для печи «буржуечного» типа тепловой КПД до 80% (!).

Декоративно-отопительные чугунные печи-камины с контурами воздушного отопления

И третье: чтобы как можно полнее использовать тепло пламени для обогрева, декоративно-отопительная чугунная печь-камин должна быть снабжена контуром воздушного отопления. Его входные и выходные окна могут быть на самом виду (поз 1 на рис.), сбоку (поз. 2) спереди и сверху (поз. 3), частично (поз. 4) или полностью (поз. 5) замаскированы декоративными деталями. Но обязательно – особенно если берете печь б/у без спецификации – убедитесь, что выходные воздушные окна есть. Тогда и входные точно отопительные, а не только приточные топочные.

Для дачи

Клеймо Балезинского литейно-механического завода и дачная чугунная печь серии ПЧ его производства

Загородный домик с участком земли у простого рабочего или мелкого служащего – явление типично российское (точнее, еще советское), на Западе неизвестное. Поэтому на рынке дачных чугунных печей еще с тех времен прочно держится продукция Балезинского литейно-механического завода. На дачах можно увидеть чугунные печки-«балезинки» с фирменным клеймом (стилизованное БЗ, см. рис. справа), которым перевалило за 50. И ничего – варят, парят, даже зимой греют. Выдерживают работу с боровом (горизонтальным участком дымохода) из стальной трубы длиной до 3-3,5м, обеспечивающим КПД печи более 65%.

В Балезино выпускают дачные чугунные печи ПЧ-1 и ПЧ-2. В Рубцовске – очень похожие на них ПЧМ(А), ПЧМ-1, ПЧМ-2. Те и другие – на мощность 7-12 кВт. Печи ПЧ-1 и ПЧМ(А) разборные: их разобранными можно перевозить в багажнике, а по частям в одиночку переносить из помещения в помещение. Самая тяжелая из балезинских и рубцовских печей весит ок. 150 кг.

Секрет балезинских и рубцовских печей – в удачно выбранной марке чугуна СЧ15-32. Он достаточно жаростоек, пластичен (выдерживает многократные проливы жидкости на горячую печку), хорошо пропускает ИК, отчего пережечь балезинскую или рубцовскую печь очень трудно: эти печи выдерживают многократное форсирование топки прим. в 2,5 раза по мощности (до светло-красного каления печи) без видимого ущерба для себя. Однако в последнее время у «балезинок» и «рубцовок» появились сильные конкуренты в виде тех же тверских Березок, но не банных, а дачных. Дачные чугунные печи Березка делаются уже с использованием современных материалов и технологий. Поэтому, во-первых, печь Березка один человек переносит всю целиком. Далее, тверичане снабдили свои печи топкой со стеклянной дверцей, превратив их в мини печи-камины. Благодаря грамотно рассчитанной конфигурации корпуса и ребер охлаждения тверские дачные чугунные печи. будучи весьма компактными, хорошо греют помещение конвекцией и не жгутся ИК. Наконец, стойкость чугунных печей Березка в термоударам впечатляет: раскаленную печку можно завалить снегом, и хоть бы что ей, см. ролик: