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合金元件的选用

合金元件的选用

影响合金元件使用寿命的因素很多，但主要是决定于工作温度，所以通常也是根据炉子工作温度的高低来选用电热材料。合金元件的寿命与炉内介质、炉衬材料、加热冷却速度以及日常

摘要
合金元件的选用

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合金元件的选用
　　影响合金元件使用寿命的因素很多，但主要是决定于工作温度，所以通常也是根据炉子工作温度的高低来选用电热材料。合金元件的寿命与炉内介质、炉衬材料、加热冷却速度以及日常维护制度等有关。
　　合金元件的一个重要特性，是在使用温度下不应被周围介质所侵蚀。表1中列举了在各种介质中适用的合金元件。
表1  各种介质中适用的合金元件
介质名称 不宜使用的元件 适宜使用的元件 最高使用 温度/℃ 介质名称 不宜使用的元件 适宜使用的元件 最高使用温度/℃  
空气或氧化性气氛   镍铬丝、带 1150 硫化氢、so2 含镍多的材料 镍铬丝、带(WNK30%) 900  
铁铬铝丝、带 1350 铁铬铝丝、带 950  
氮气 铁铬铝合金 不含铁的镍铬 丝、带 1150  
卤族元素 含铁多的材 料 Cr20Ni30 丝、 带、含硅多的材 料 300  
氨化合物 含铁多的材料 Cr20Ni80丝、带 1100  
含镍多的材料 1100 碳化硅 含铁多的材料 含镍和铝多的
材料		 1000  
氢气   镍铬丝、带 1150  
铁铬铝丝、带 1350 硅藻土（包
括含硫多的材 料）		 含镍多的材
料		 铁铬铝丝、带 800  
水蒸汽 含铁多的材 料 铁铬铝丝、带 Cr20Ni80丝、带 1350
1100		  
  Cr15Ni60丝、带 950 石棉   铸、康铜、镍铬 处、带 400  
煤气 含铁多的材 料，尤其是含铝 量也高时 Cr20Ni80 丝、带 1100
 		  
云母   含铁的镍铬丝、带 500  
铁铬铝丝、带 1200 玻璃、矿渣、 搪瓷 含铁的镍铬 丝、带，包括含 锰多的 Cr20Ni80 丝、 带
 		 1100
 		  
碳氢化合 物CO、CO2 含铁多的材 料 Cr20Ni80 丝、带 1050  
铁铬铝丝、带 1200  
　　如果合金元件表面形成的氧化膜粘附了其他物质，例如熔融金属（尤其是锌、铝、锡、铅、铜等），或者和熔融盐类、低价氧化物、氧化铁皮、搪瓷、釉药等接触，以致被破坏后，合金元件就会很快损坏。此外， 炉子气氛和组成电热元件的金属元素形成了低熔点 化合物或金属间化合物而变脆时，则合金元件的寿命也显著缩短。因此，在选定元件的材料时，必须充分考虑周围介质的影响。
　　为了增强合金元件的抗蚀性，延长元件的使用寿命，预先氧化处理、炉内气氛、盐类及搪瓷、金属及金属氧化物和耐火材料等5个有关问题。
　　1、预先氧化处理：元件在使用前，最好进行预先氧化处理和交替地进行氧化处理，使元件表面生成一层较纯的氧化膜，起到一定程度的保护作用。 铁铬铝合金纯的氧化膜呈灰色，主要成分为γ-Al2O3和α-Al2O3。镍铬合金纯的氧化膜呈墨绿色，主要成分为Cr2O3。这种纯的氧化膜组织是致密的，向且是难熔的。它紧密地附着在元件的基体上，具有一定的抗蚀性，因而起到某种程度的保护作用。
　　合金元件表面生成的氧化膜与合金元件基体的线膨胀系数不是完全一致的，急剧升温和急剧冷却，都会使氧化膜致密的组织产生裂纹，以致氧化膜脱落，起不到应有的保护作用。
　　预先氧化处理的方法，是将安装完毕的合金元件在烘干过的电阻炉内通电加热，使元件表面温度低于其最高使用温度100℃～200℃,保温7h～10h， 然后随炉缓冷即可。0Cr25Al5合金元件可在1050℃下进行。
　　2、炉内气氛炉内气氛对合金元件有利与否，是关系元件使用寿命的一个极为重要的因素，见表2。
表2 炉内介质对合金元件的影响
介质名称 镍铬合金 铁铬铝合金 介质名称 镍铬合金 铁铬铝合金  
空气或氧 化性气氛 无影响 无影响 氮气、氨气 影响较小 铬铝与氮的亲和力很 强，在低温时就被激烈氮化变脆  
氢气 无影响 无影响  
水蒸气 不锈蚀 锈蚀 氟、氯、 溴、砷及其化合物 严重破坏氧化膜 同镍铬合金  
酸类蒸气 不耐蚀 不耐蚀  
含硫气氛(so2、h2s等） 镍含量愈高，亲硫愈 厉害，生成低熔点 (810℃)硫化镍，出现
泡状突起，通称硫“痘 疮”		 在含硫的氧化性气氛 中无影响，但在含硫的还原性气氛中则寿命降低  
碱金属 盐、硝酸盐、 硅酸盐、硼酸盐和碳酸盐等 干扰生成或破坏氧 化膜，并使铬析出表面 同镍铬合金  
铜、铝、 锌、锡和铅等有色金属熔液或蒸气 发生反应而形成低 熔点化合物，破坏氧化 膜，严重侵蚀元件 同镍络合金  
含碳气氛(各种煤气、
CO、 co2等）		 生成低熔点（1200℃ ?1250℃)碳化物共晶 体，引起裂纹，甚至熔断 生成碳化物，使元件遭受破坏  
重金属氧 化物 生成低熔点的氧化 物混合物.严重侵蚀元 件，通称“灾难性的氧 化” 同镍铬合金  
碳氢化合 物 强烈地增碳，表面熔 点降低，产生“绿色腐 烂” 増碳严重  
 
　　1）干燥空气和纯氢。铁铬铝和镍铬合金元件在干燥空气中使用是最抗氧化性的。纯氢对它们没有害处。
　　2）含硫气氛。某些气体中，常常含有硫的杂质如H2S、SO2等。还有筑炉用的某些材料，以及被加热工件带入炉内的油等，常常产生硫的污染。在镍铬合金元件中，镍含量愈高，则亲硫愈厉害，在高温和含有硫的气氛中使用，元件表面上通过生成硫化物产生熔液区，硫通过这个熔液区更多地渗入合金内部。因为熔液区抵抗硫及其化合物侵蚀的能力是特别小的，奥氏体晶界逐渐地被硫化物所占据，直到最后生成低熔点相。
　　元件中的镍与硫生成低熔点（约810℃)硫化镍，出现泡状突起，通称硫“痘疮”。 
图  Cr20Ni80元件生成的硫“痘疮”
Cr20Ni80元件生成的硫“痘疮”
　　铁铬铝合金元件在含硫的氧化性气氛中并无妨害，但在含硫的还原性气氛中则其使用寿命较短。
　　3）氮气及氨气。铁铬招合金元件直接曝露在氮气中使用，其寿命要比在空气中低。因为铁铬铝元件中的合金元素是铬和铝，它们与氮的亲和力很强，正如上述镍和硫的亲和力很强是一样的。高温时在饱和的氮气中使用，氧化膜保护层被破坏了，生成了氮化物，同时还使合金内部的铝又分离出来，也生成了氮化物。
　　在分解氨中使用时，由于含氮量高，其使用寿命同样较低。
　　4）含碳气氛。在含碳气氛中，镍铬和铁铬铝合金元件如果使用温度不高，元件表面上生成纯的氧化膜保护层，在一段时间内是能够阻止碳化的。随着使用温度的升高，在某一温度范围内，合金元件的表面发生强烈的渗碳作用，生成了某些碳化物，不管这些碳化物是沉淀在晶界上，还是沉淀在晶体内部，都是有害的。因为这些碳化物的共晶熔点比较低 (1200℃～1250℃)。如果继续使用，元件有可能被熔断。即使尚未熔断，碳化或再氧化就会交替地进行， 使沉淀在晶体内部的碳化物变成氧化物（如一氧化碳）跑了出来，元件基体的紧密组织因而遭到破坏，以致产生裂缝。
　　同时，由于碳化物的形成，增加了材料的脆性， 并且由单相组织变为多相组织，使电阻值大大增加，从而就使电热元件急剧老化。另外，在元件表面积存大量碳黑，由于导电，产生强大的电弧，造成局部烧损。
　　Cr20Ni80合金元件不能用于900℃～1100℃温度范围的放热性控制气氛中，否则碳氢化合物的强裂增碳，使其表面熔点降低，产生“绿色腐烂”。 
图 Cr20Ni80元件生成的“绿色腐烂”
Cr20Ni80元件生成的“绿色腐烂”
　　若在元件表面涂覆与元件无损害的高温无机釉层，使之牢固地粘附在元件表面上，起到比元件本身生成的纯氧化膜保护层更为有效的保护作用，可阻止元件的碳化。
　　5）含卤气氛。少量的卤族元素（氟、氯、溴、碘) 会对所有合金元件起腐蚀作用，即使在十分低的温度下，也会这样。
　　在各种炉子气氛中，可采取下列措施防止合金元件遭受侵蚀破坏：
　　1)采用耐热钢炉罐，使合金元件不与炉内气氛接触。
　　2)把合金元件装在辐射管中，使其与炉气隔开。
　　3)在合金元件上涂以保护釉层。
　　为防止合金元件在使用过程中表面氧化膜受到炉内气氛的侵蚀破坏，必须适当降低使用温度。在真空中，使用温度也应降低，以免元件在高温下挥发。 
表3  合金元件在各种气氛中的最离使用溫度
气氛名称 镍铬 合金 铁铬铝合金
Cr15Ni60 Cr20Ni80 1Cr13Al4 0Cr13Al6Mo2RE
0Cr25A15		 0Cr27Al7Mo2
空气或氧化性气氛 1000 1100 1000 1250 1400
氮气 1000 1100 950 1050 1250
分解氨 950 1050 950 1050 1150
干氢 1000 1100 1000 1250 1400
含硫气氛 900 950 950 1050 1100
含碳气氛 950 1000 950 1150 1150
碳氢化合物 900 1000 950 1150 1250
真空（真空度高于53.3Pa) 900 1000 850 1000 1000
 
　　3、盐类及搪瓷：镍铬和铁铬铝合金元件直接接触到碱金属的盐类、卤族盐类、硝酸盐、硅酸盐、硼酸盐和碳酸盐等是不利的，因为这些盐类在不同程度上干扰元件表面氧化膜保护层的生成。铁铬铝合金在常态下接触水溶性盐类，也能引起腐蚀。
　　搪瓷常常含有有害的化合物，它们通过蒸气和飞溅腐蚀合金元件，影响其使用寿命。氧化铅在炉内的低温处很容易汽化和沉积，因而常常在意想不到之处发生氧化铅侵蚀。
　　4、金属及金属氧化物：某些熔化的金属及其金厲蒸气，如铜、铝、锌、锡和铅等，它们能够破坏元件表面的氧化膜，严重地侵蚀合金元件。
　　合金元件与一系列重金属氧化物直接接触都是不利的，因为合金元件与它们能生成低熔点的氧化物混合物、通常称为“灾难性的氧化”。
　　氧化铁斑点妨碍了保护层的正常形成，从而造成局部侵蚀。重油灰分中的氧化钒(V2O5)，其熔点为675℃,对合金元件也有严重影响。
　　5、耐火材料的使用：一般耐火材料中含有 Fe2O3,在高温下将侵蚀元件表面的氧化层保护膜， 形成低熔点化合物，特别是埋伏在耐火材料中的合金元件，一是缺氧的缘故，不能生成足够纯的氧化膜；二是元件产生的热量不能及时散发出去，温度逐渐升高；三是元件表面接触耐火材料面积较大。由于这3个主要原因，一旦耐火材料选用不当，更加剧了这一破坏过程。因此，使用耐火材料时必须注意下列 事项：
　　1)搁砖必须使用Fe203的质置分数<1.5%、 Al2O3的质量分数>48%的高铝砖。砖的组织应致密，气孔率要低、冷热变化后或承受冲击时不易断裂。
　　2)当炉温在1000℃以上使用时，搁砖必须采用Fe2O3的质量分数<1%、Al2O3的质量分数>70%的高铝砖。如无这种砖，可在与元件接触的部位涂刷质量分数为70%氧化铝粉和30%生粘土粉的浓稠涂料，分2～3次涂刷，每层都要烘干，总厚度约2mm～3mm。
　　3)在渗碳和碳氮共渗气氛中，最好采用抗渗碳砖作炉膛内衬，砖中Fe2O3的质量分数必须小于1%。
　　4)凡靠近螺母、承受紧固压力的绝缘子，如耐火垫圈、耐火套管等，最好由耐热瓷制成，因耐火粘上砖受压后易裂晬。
　　5)当元件埋放时，应用氧化铝、氧化镁、氧化锆等高级耐火材料作覆盖涂料，不能采用隔热材料，绝对避免与石棉粉、矿渣棉、蛭石粉和水玻璃等直接接触。

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