工業(yè)爐用耐熱合金選擇
工業(yè)爐用耐熱合金選擇(selection of heat resisting alloys used on industrial furnace)
工業(yè)爐內(nèi)高溫構(gòu)件和換熱器設(shè)計(jì)中的一個(gè)主要內(nèi)容。合理選材是保證設(shè)備長期正常使用、充分發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益的前提之一。普通碳素鋼因高溫強(qiáng)度和抗氧化性較低，一般只能用于400～450℃以下。合金結(jié)構(gòu)鋼中的鉻鉬鋼、鉻鉬釩鋼，合金元素總含量不超過5％、價(jià)格較低，使用溫度可提高到550～580℃，而且有相當(dāng)?shù)臒釓?qiáng)性。從20世紀(jì)70年代起，中國根據(jù)自己的資源條件，開發(fā)了無鉻熱強(qiáng)鋼12MoVWBSiRE，其持久強(qiáng)度高于常用的12Cr1MoV，而抗氧化性與之相當(dāng)；多元強(qiáng)化的12Cr2MoWTiB鋼和12Cr3MoVSiTiB鋼，使用溫度達(dá)600～620℃。當(dāng)爐內(nèi)構(gòu)件要求具有較高的高溫強(qiáng)度和抗氧化性時(shí)，主要使用不銹鋼和耐熱鋼(以鑄鋼件為主)，其次是耐熱鑄鐵。不銹鋼和耐熱鋼在使用范圍內(nèi)互有交叉，一些不銹鋼兼有耐熱鋼的特性，因此某些鋼號既列入不銹鋼的國家標(biāo)準(zhǔn)，也列入耐熱鋼的國家標(biāo)準(zhǔn)。
耐熱鋼的分類和性能 耐熱鋼按用途分為抗氧化鋼和熱強(qiáng)鋼，前者有較好的化學(xué)穩(wěn)定性(抗氧化性)，但承受的載荷較低；后者有較高的高溫強(qiáng)度和相當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)穩(wěn)定性。耐熱鋼按組織特征分為馬氏體鋼、鐵素體鋼、奧氏體鋼三類：(1)馬氏體鋼。含鉻量一般為5％～13％，在600～700℃以下有較高的高溫強(qiáng)度，抗氧化性可達(dá)800℃。焊接性能較差或尚可。常用的鋼號有1Cr5Mo、4Cr9Si2、1Cr13、1Cr13Mo等。(2)鐵素體鋼。含鉻量一般為12％～30％，有時(shí)還含錳、硅、鋁等元素，抗氧化性比馬氏體鋼更好。當(dāng)含鉻量≥15％時(shí)，在475℃和在550～750]C下長期使用會出現(xiàn)475℃脆性和σ相脆性，當(dāng)在不低于900℃下使用時(shí)會出現(xiàn)晶粒長大，導(dǎo)致出現(xiàn)脆性，高溫強(qiáng)度較低。鐵素體鋼很少以鑄態(tài)使用。常用的鋼號有00Cr12、0Cr13Al、1Cr17、2Cr25N等。(3)奧氏體鋼。鉻鎳含量較高，當(dāng)在650～700℃以上使用時(shí)，兼顧了高溫強(qiáng)度、抗氧化性和焊接性能等多方面要求，因而應(yīng)用較廣。典型鋼種是18Cr–8Ni型和25Cr–20Ni型。由于鎳元素在世界上較少，在發(fā)展鉻鎳奧氏體鋼的同時(shí)，不少國家都開展了節(jié)鎳或無鎳奧氏體鋼的研究，中國研制的鉻錳氮奧氏體熱強(qiáng)鋼已部分取代了鉻鎳鋼。隨著生產(chǎn)工藝的發(fā)展，出現(xiàn)了用微碳不銹鋼代替用鈦穩(wěn)定的18Cr–8Ni型不銹鋼的趨勢。當(dāng)要求的高溫強(qiáng)度更高時(shí)，鐵基合金已不能滿足，這時(shí)使用鐵鎳基合金或鈷基合金。有時(shí)用鐵鉻鋁型電熱合金或鎳鉻型電熱合金作為高溫陶瓷纖維爐襯的固定材料。
某些高合金鋼難以加工變形，可以用鑄造方法生產(chǎn)形狀復(fù)雜的鑄件，鑄件不僅比軋件或鍛件經(jīng)濟(jì)，而且高溫強(qiáng)度也較高，還能根據(jù)需要調(diào)整化學(xué)成分。采用精密鑄造或離心鑄造工藝可獲得表面光滑、尺寸精確的鑄件，因此高溫工業(yè)爐內(nèi)的構(gòu)件主要是耐熱鑄鋼件。用于軋件或鍛件的鋼號原則上都可以鑄造，只是為了滿足鑄造工藝和性能的要求需在化學(xué)成分上稍作調(diào)整。
耐熱鋼的選用 根據(jù)使用條件選擇相應(yīng)的鋼號，然后作經(jīng)濟(jì)比較，選定合適的鋼號。使用條件包括：(1)使用溫度及溫度范圍。爐內(nèi)構(gòu)件(如輻射管)的溫度要比工件的溫度高出50～150℃，而換熱器的壁溫則比煙氣溫度低。(2)熱源(重油、煤氣、電能等)。(3)使用時(shí)所處的氣氛(氧化性、還原性、中性、含硫氣氛、滲碳?xì)夥蘸驼婵盏?。(4)使用時(shí)的荷載情況(僅承受自重、靜荷載和動荷載)。(5)受熱情況。例如，是反復(fù)受熱和冷卻還是連續(xù)受熱，構(gòu)件內(nèi)的溫度差，冷卻是爐冷還是空冷，是油淬還是水淬。對于反復(fù)受熱的承重構(gòu)件，當(dāng)構(gòu)件失效的主要形式是變形時(shí)，通常按蠕變強(qiáng)度設(shè)計(jì)，蠕變速度為0.0001％?h–1，即工作期限為1萬小時(shí)而允許總應(yīng)變?yōu)?％。安全系數(shù)為1.25～2.00。當(dāng)構(gòu)件失效的主要形式是破壞而不是變形時(shí)，通常按持久強(qiáng)度設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)壽命為數(shù)萬小時(shí)。某些鋼號在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力和安全系數(shù)在GB 150和GB 9222中已經(jīng)規(guī)定，GB 150和GB 5310還提供了鋼板和鋼管的高溫力學(xué)性能，設(shè)計(jì)應(yīng)遵循這類標(biāo)準(zhǔn)。(6)更換的難易程度。選材時(shí)還要考慮材料的耐磨性能和熱膨脹系數(shù)，以便預(yù)留出合理的問隙。選材的基本方向見表。
鑄鐵的性能和選用 灰鑄鐵的使用溫度一般在300℃以下，用于抗拉強(qiáng)度低于400MPa又不承受沖擊載荷的爐內(nèi)構(gòu)件。從室溫到400℃的范圍內(nèi)，它的力學(xué)性能變化不大，抗拉強(qiáng)度在150–200℃之間稍有下降，隨后又有回升，400℃以上顯著下降。球墨鑄鐵的使用溫度一般在370℃以下，用于要求較高強(qiáng)度和疲勞極限并承受一定沖擊載荷的爐內(nèi)構(gòu)件。對耐熱鑄鐵的主要要求是耐熱性，即高溫下抗氧化、抗長大、并保持較高的強(qiáng)度、硬度和抗蠕變的能力，其中重點(diǎn)是抗氧化和抗長大的能力。耐熱溫度是指經(jīng)過150h，試樣長度增加量小于0.2％，平均氧化增重小于0.5g／(m2?h)時(shí)所處的溫度。當(dāng)爐內(nèi)構(gòu)件使用耐熱鑄鐵時(shí)，低于550～600℃者選用低鉻耐熱鑄鐵，低于700～750℃者選用高硅耐熱鑄鐵或高硅耐熱球墨鑄鐵，提高含硅量或加鉬可將耐熱溫度再提高一步。硅鋁系或高鋁系耐熱球墨鑄鐵的耐熱溫度可達(dá)1050～1100℃。