03 司书鹏 毕业答辩PPT 59页

'第三章筑炉材料砌筑热处理炉时，需使用耐火材料、保温材料、炉用金属材料以及一般建筑材料。在建造和设计热处理炉时，合理选用筑炉材料，对满足热处理工艺要求，提高炉子使用寿命，节约能源，降低成本都有重要意义。本章重点介绍耐火材料、保温材料以及炉内构件用材料的种类及性能。1 §3-l耐火材料耐火材料：凡是能够抵抗炉内高温并承受在高温下所产生的物理、化学作用的非金属筑炉材料。耐火材料的选择要考虑炉内温度、气氛、熔融材料的成分等。热处理炉用材料的发展方向是在努力提高其高温性能，尤其是高温强度和高温下抵抗炉膛内气氛与介质侵蚀和冲刷能力的情况下，尽量减小体积密度，延长使用寿命。2 分类：◆按耐火度分类：普通耐火材料、高级耐火材料、特级耐火材料。◆按化学矿物组成分类：氧化硅质耐火材料、硅酸铝质耐火材料、铬铁质耐火材料、碳质耐火材料、其它高耐火度制品。◆按耐火材料的化学性质分类：酸性耐火材料、碱性耐火材料、中性耐火材料。3 一、耐火材料的性能可分为物理性能和工作性能。物理性能：体积密度、真比重、气孔率、吸水率、透气性、耐压强度、热膨胀性、导电性、热容量等。工作性能：耐火度、高温结构强度、化学稳定性、体积稳定性，耐急冷急热性等。4 1、耐火度◆耐火度是耐火材料抵抗高温作用（抵抗熔化）的性能，表示材料受热后软化到一定程度时的温度。耐火度大于1580℃的材料才称为耐火材料。耐火度主要取决于耐火材料的化学成分和材料中的易熔杂质(如FeO、Na2O等)的含量。耐火材料并非纯物质，是由多种矿物组成，其中还含有杂质，没有一个固定熔点，只有一定的熔融范围。知识拓展5 按耐火度的不同，可将耐火材料分为：(1)普通耐火材料：耐火度为1580℃～1770℃；(2)高级耐火材料：耐火度为1770℃～2000℃；(3)特级耐火材料：耐火度为2000℃以上。耐火度不是熔点，也不是实际使用温度。耐火度并不是其实际使用温度，因为在高温载荷作用下耐火材料的软化变形温度会降低。实际使用的最高温度比耐火度要低，这是由于还要考虑其高温结构强度，即在高温下要承受一定的压力而不变形。耐火材料的耐火度和使用温度如表所示。6 2、高温结构强度－荷重软化点◆荷重软化开始点是指在一定压力(196kPa，轻质材料为98kPa)条件下，以一定速度加热，测出试样开始变形(0.6％)时的温度；当试样变形达4％或40％的温度，称为荷重软化4％或40％软化点。◆耐火材料的高温结构强度主要决定于化学成分和体积密度。耐火材料的使用温度必须低于其荷重软化点。7 3、高温化学稳定性◆耐火材料在高温下抵抗熔渣、熔盐、金属氧化物及炉内气氛等的化学作用和物理作用的性能。常用抗渣性来评定。荷重软化温度是耐火材料工作性能中一项重要的指标，有些材料尽管耐火度较高，但荷重软化点低，使用中应注意。例如镁砖的耐火度超过2000℃，但它的荷重软化开始温度只有1500℃，远远低于它的耐火度。常压耐火材料的荷重软化点如表所示8 例如:◆制造无罐气体渗碳炉时，高碳气氛对普通粘土砖有破坏作用，炉墙内衬的耐火材料需用含Fe2O3小于1％的耐火砖，即抗渗砖；◆制造电极盐溶炉时，由于熔盐对耐火材料的冲刷作用，坩埚材料必须采用重质耐火砖或耐火混凝土；◆电热元件搁砖不得与电热元件材料发生化学作用，铁铬铝电热元件要用高铝砖作搁砖。9 10 4、耐急冷急热性(热震稳定性)◆表示材料抵抗温度急剧变化而不破坏的性能。◆测定方法：将耐火制品加热到850℃，然后放入流动的冷水中冷却，反复进行破碎至其重量损失20％时的次数。◆耐急冷急热性与制品的物理性能、形状和大小等因素有关。常用耐火制品的耐急冷急热性指标如表所示。11 5、高温体积稳定性◆指耐火材料在高温下长期使用时，化学成分发生变化，产生再结晶和进一步烧结现象，从而使耐火材料的体积发生收缩或膨胀。通常用膨胀系数或重烧线收缩来表示。◆一般要求耐火制品的体积变化，不得超过0.5％～1%。◆砌体有膨胀缝。12 6、耐火制品的级别和几何形状尺寸耐火制品的级别按制品尺寸公差分成两个级别。耐火粘土砖和高铝砖一级品尺寸公差为±1.5～±2m；二级品尺寸公差为±2.5mm；轻质耐火砖不分级别。如果耐火制品尺寸公差过大、外形损坏严重(缺角、缺棱、扭曲等)、表面破损严重(裂纹、渣蚀等)，就不能用于砌炉。表面扭曲会使砌缝过大，超过规定标准，降低砌体的强度。13 二、常用耐火材料常用耐火材料有粘土砖、高铝砖、碳化硅耐火制品、耐火纤维、耐火混凝土、耐火涂料等。1、耐火粘土砖◆粘土砖的主要成分是：30%∼48％Al2O3，50％～60％SiO2，其余为各种金属氧化物等。属弱酸性，荷重软化点为1350℃，耐急冷急热性好，原料来源广泛，是最常用的耐火材料。◆可用于砌筑炉顶、炉底、炉墙及燃烧室等。◆铝电热体合金与粘土砖有化学反应，使用粘土砖会使铁铬铝合金受腐蚀。粘土砖在控制气氛中易受CO、H2的侵蚀而损坏。14 2、高铝砖◆高铝砖中含Al2O3大于48％，其余主要是SiO2，杂质很少。随Al2O3含量的增加，颜色变浅。当Al2O3大于85％，变为白色，叫白刚玉。◆其耐火度和高温结构强度都高于粘土砖，属中性，化学稳定性好，多用于高温热处理炉及电阻丝或电阻带的搁砖、热电偶导管、马弗炉的炉芯等。15 3、轻质砖与超轻质砖耐火砖按其体积密度不同，分为重质、轻质与超轻质。重质砖的体积密度为2．2～2．75g／cm3，轻质砖为0．4～~1．3g／cm3，超轻质砖为0．3～0．4g／cm3。◆因制造方法不同，其气孔率很高，体积密度很小。◆轻质耐火砖一般是粘土砖，也有高铝砖。其成分与一般粘土砖和高铝砖相同。16 ◆保温性好(传热损失小)，热容量小(炉子的蓄热损失小)。采用轻质或超轻质砖做炉衬，可减少炉墙蓄热，缩短升温时间，资约热能。◆轻质砖的耐压强度低，荷重软化点较低，残余收缩(或膨胀)较大，抗化学侵蚀能力较差。◆宜用做炉墙和炉顶。在高温结构强度和耐火度满足要求的情况下，应尽可能选用轻质粘土砖。17 4、碳化硅耐火制品◆碳化硅耐火制品主要化学成分是SiC。其耐火度高可达2000℃以上，高温结构强度高，抗磨性、耐急冷急热性好，导热性及导电性好。◆主要用途：(1)导热性好，比一般耐火材料高约10倍，适合用作导热的器件，如马弗罐、换热器元件。(2)强度高，耐磨性能好，耐急冷急热性也好，可用它来作高温炉的炉底板、辊底炉的辊套。(3)比电阻大，可以用作电阻炉的电热元件。18 散状耐火材料传统的筑炉方式是耐火砖作为主体的，散状料(如耐火泥)只是用作砌砖的泥浆、砖缝填料或补炉料。近二十年散状耐火材料出现了各种耐火混凝土、浇注料、可塑料、耐火纤维及捣打料、喷涂料。目前一些先进工业国家，散状耐火材料的产量已占耐火材料总产量的1/3以上，且有进一步发展的趋势。特点：⑴施工方便，筑炉效率大大提高，能适应各种复杂炉体结构要求。炉顶采用耐火混凝土预制块，使施工大为简便。⑵使用后，炉子的热工指标也有所改善。例如使用陶瓷纤维炉衬，使热损失大大减少。19 5、耐火纤维◆是新型的耐火材料，兼有耐火和保温作用。◆分类根据成分不同有硅酸铝、石英、氧化铝和石墨耐火纤维等，大致分类如图所示。一般热处理炉使用硅酸铝耐火纤维，而高温真空炉多采用石墨纤维。◆性能特点：(1)一般使用温度不超过1000℃，高温长时间使用有析晶现象，发生体积收缩、变脆以致粉比，为了提高使用温度可提高Al2O3含量和减少杂质。20 (2)导热系数小，比其它保温材料的导热系数至少小20％，因而可使炉衬厚度减薄；(3)体积密度小，耐高温，热导率小，比热容小，炉衬蓄热少，升温快，节省热能；(4)耐急冷急热性好，化学稳定性好。耐震动、柔软、容易施工，不考虑热应力的影响；(5)在高温下发生较大的收缩，制造成本较高。◆制品纤维毡、纤维板、纤维砖、纤维绳等。21 常用耐火纤维玻璃质硅酸铝耐火纤维为非晶质，包括普通硅酸铝纤维、高纯硅酸铝纤维、含铬硅酸铝纤维，长期使用温度为1000～1200℃，在温度为100～1090℃范围内，其比热容基本相同。◆晶质耐火纤维主要有多晶质莫来石纤维(72%～74％A12O3)，最佳使用温度为1300℃；多晶氧化铝纤维(95％A1203)长期使用温度1400℃，最高使用温度1600℃。22 ◆用途：一般热处理炉用硅酸铝纤维；真空炉、热压炉和气氛炉使用石墨纤维。◆使用方法纤维毡可用机械固定或粘结剂粘贴固定于炉墙上，也可制成预制块或预制板或夹于两层耐火材料中间使用。◆缺点受制造工艺和设备的限制，某些气氛对耐火纤维有腐蚀作用，影响了它的使用范围。23 6、耐火混凝土可制成各种预制块，也可在加热炉上整体浇捣，从而加强炉体的整体性。例如制造盐浴炉的盐槽，制造炉顶与炉衬的预制件和振底炉的炉底板等。◆组成：由胶凝物质（水泥、水玻璃、磷酸溶液等）+耐火骨料+掺合料和水并按一定比例混合、成型、硬化后得到的耐火材料。◆优点：与耐火砖比，简化了制造工艺、便于制造复杂构件、修炉和砌炉的速度快、炉衬整体性好、制造成本低、炉子寿命长。◆缺点：耐火度低于耐火砖。24 ◆分类根据所用的胶结材料(水泥)不同，耐火混凝土可分为：硅酸盐耐火混凝土、铝酸盐耐火混凝土、磷酸盐耐火混凝土和水玻璃耐火混凝土等。热处理炉常用的耐火混凝土有铝酸盐耐火混凝土（矾土水泥和低钙铝酸盐水泥耐火混凝土）、磷酸盐耐火混凝土两类。25 铝酸盐耐火混凝土◆用矾土水泥或低钙铝酸盐水泥做胶结剂。它具有快硬、高强度的特点，但耐火度较低。◆低钙铝酸盐水泥在常温下，其硬化速度较慢。早期强度低，但耐火度高。◆铝酸盐水泥是一种快硬高强度水硬性胶结剂，因此混凝土加水搅拌后，应迅速捣打不要中间停顿，以免捣打不实。脱模后用草袋覆盖，浇水养护。◆这种耐火混凝土开裂倾向大、烘炉应缓慢进行，在使用中易于剥落。常用于做盐浴炉坩埚或炉拱。26 磷酸盐耐火混凝土（种类很多）制作：须预先混料，堆积并覆盖草袋，放置24h后才能筑炉。其目的是排出有害气体，防止制品产生鼓胀变形，保证致密性。筑完后要自然干燥几天，勿用水养护。在烘炉中，因磷酸、骨料及掺合料的化学反应使混凝上凝结为整体。具有良好的高温性能，为了防止制品产生剥落，烘炉后再进行高温烧结，效果更好。性能特点：开裂倾向小，耐火度和高温强度较高，成本较高。27 水玻璃耐火混凝土该混凝土是气硬性的，成型后可直接进行烘干，严禁用水或蒸汽养护。制品有非常好的耐急冷急热性，良好的整体性和耐磨性。使用温度为600~1100℃。用于制造振底炉的炉底板。28 耐火混凝土的性能特点：与同质耐火制品相比⑴耐火度低；⑵荷重软化温度低；⑶线膨胀系数小；⑷耐崩裂性可在100次以上；⑸显气孔率低于耐火砖，闭口气孔多，故致密性比耐火砖低；⑹重烧线收缩较大。29 7、陶瓷涂料(1)耐火材料用陶瓷涂料：◆是氧化锆加水调制而成，无毒、不可燃，在室温下涂敷于耐火材料表面，在空气中干燥5分钟即成。◆陶瓷材料的辐射能力强，因而炉子升温速度快、炉温均匀，可降低能耗15％～30％。30 ◆涂料的气孔率低，化学稳定性好，可阻止使耐火材料损坏的各种氧化性气氛扩散渗透，能成倍地提高耐火村料的使用寿命。◆应用范围广，除石墨以外的其它耐火材料均可涂这种涂料。使用温度高达2482℃。31 (2)金属构件用陶瓷涂料：◆是用水调制的硅酸铝涂料，无毒、不可燃，可涂敷于电热元件、辐射管、换热器、料筐等表面。特点：◆不影响炉内气氛、被涂金属的物理化学性质和力学性能；◆可防止被涂金属氧化、脱碳或渗碳、化学侵蚀；◆与金属间的结合牢固，耐磨性良好；◆经固化处理之后，表面比基体更细密，可大幅度地提高金属构件的使用寿命(50％以上)。连续使用温度1038℃，间断使用可达1204℃。32 8、耐火泥◆是砌耐火砖时用来填充砖缝及其相互粘结并使砌体有一定强度和气密性的耐火材料。◆耐火泥应接近于砌体成分，具有一定耐火度和化学稳定性。砌筑气密性好的粘土砖砌体时，可以采用含有水玻璃的可塑性泥浆。◆耐火泥由20％∼40％的耐火粘土生料和60％∼80％的耐火粘土熟料粉组成。生料量越多，则强度越低，烧结时收缩较大，易使砌缝开裂。◆用水或稀释水玻璃调和后，用于砌炉时填塞砖缝，保证炉子强度和气密性。33 三、耐火材料的选用1、为保证炉衬寿命，应合理选择内衬材料，以保证足够的耐火度。一般高温炉的内衬即耐火层选用高铝砖；中温炉耐火层选用耐火粘土砖或轻质耐火粘土砖。2、为降低炉体散热损失和炉体蓄热，应在保证炉体强度的前提下，尽量采用密度较小的轻质耐火砖和耐火纤维。34 3、除低温电阻炉可采用耐火粘土质的电热元件搁砖外，中温及高温电阻炉应采用高铝质的电热元件搁砖。4、炉中受力较大的部位应采用重质耐火砖，如炉底板支撑砖、电热元件搁砖、炉门口砖。5、盐浴炉坩埚应采用重质砖砌筑，以抵抗盐液的侵蚀和冲刷。6、在无罐气体渗碳炉中，应选用抗渗碳砖作炉衬内衬。35 §3－2保温材料为减少炉子热传导引起的热损失，节省热能，提高炉子的热效率，改善劳动条件，在砌筑中温或高温炉时，均在耐火层外需砌一层保温材料。◆工程上把λ值小于0.25w/(m.℃)的材料称为保温材料。保温材料用于炉体外衬保温层起保温作用，以减少炉体散热，◆特点：保温材料具有体积密度小、气孔率高、热容量小、热导率小等。36 ◆常用保温材料有：石棉、矿渣棉、蛭石、硅藻土、膨胀珍珠岩、岩棉以及超轻质耐火砖、耐火纤维等。它们常以散料或制成制品使用，近些年来新炉型不提倡使用散料。37 1、石棉是天然纤维矿物，主要成分是蛇纹石3MgO·SiO2·2H2O。在高温下不燃烧，但在500℃时变脆，甚至成了粉末，失去保温作用。故其最高使用温度不超过500℃。常加工成石棉绳(直径为3~50mm)、石棉板(厚度为1~20mm)、石棉布等形状使用。2、矿渣棉是用高炉熔融矿渣经压缩空气喷吹而制成棉花状纤维状材料。它的体积密度小，导热系数小，吸湿性小。最高使用温度为750℃。其缺点是易被压碎而降低保温性能。38 3、蛭石◆蛭石又称为黑云母，具有一般云母外形，易于剥离成片，主要成分是SiO2、Al2O3、Fe2O3、MgO和5％～10％的化合水。受热时，其中的水分急剧蒸发，体积膨胀而成膨胀蛭石。◆体积密度小，保温性能良好。最高使用温度可达1000℃。◆使用时可以是散状（直接将膨胀蛭石倒入炉亮与炉衬之间），也可用高铝水泥、水玻璃作结合剂制成各种形状的制品使用。39 4、硅藻土硅藻土是有机藻类腐败形成的天然疏松多孔物质。主要成分是SiO2。是白色、黄色或粉红色。粉状颗粒含有许多微孔，所以保温性能较好，使用温度低于900℃。大多数制成硅藻土砖使用，也可散状使用。5、膨胀珍珠岩膨胀珍珠岩是以含70％SiO2的天然珍珠岩为主要原料烧制而成的良好保温材料。其体积密度小，热导率小，使用温度可达1000℃。既可散料使用，又可制成不同形状的砖使用。40 6、岩棉岩棉是以玄武岩为主要原料，经高温、熔融制成4∼7μm人造无机纤维，加工成板、管、毡等，属于轻质保温材料。具有良好的化学稳定性、耐热性，工作温度为-120～600℃。岩棉制品热导率随密度和温度的不同而变化，ρ=80kg/m3的岩棉毡室温下热导率为0.0250W/(m.℃)，平均温度400℃时，热导率为0.125w/(m.℃)。41 §3－3炉用金属材料炉用金属材料分为炉外用金属材料和炉内用耐热钢。因炉内构件是在高温下工作，承受一定载荷，并受高温介质的化学腐蚀，要求具有良好的抗高温氧化性和高温强度。所以要用耐热钢来制造。1、普通金属材料普通金属材料用作炉子的外壳和构架。如Q235A钢板、角钢、槽钢、工字钢、圆钢等。42 2、炉用耐热钢◆炉用耐热钢用作炉底板、炉罐、坩埚、辐射管、导轨、料筐、炉辊、传送带、夹具、紧固件、电热元件及其引出捧等。◆早期我国多用3Crl8Ni25Si2、1Cr25Ni20Si2等。由于这类钢含铬、镍高，60年代后期普遍采用铬锰氮和铬锰氮硅钢，用于多种铸造构件。铬锰氮钢焊接性能差，只能以铸态制成构件，使用温度在900～950℃之间，应用受到限制。43 ◆为满足800～1200℃使用范围，80年代研制出了3Cr24Ni7SiNRE耐热钢，这种耐热钢性能超过了3Crl8Ni25Si2，具有良好的高温强度、塑性、抗氧化性、耐急冷急热性等，同时还具有良好的加工性、焊接性和铸造性。◆常用耐火材料和保温材料的最高使用温度如图3-l所示，其它性能指标见附表3、附表4，常用耐火砖的形状尺寸见附表5。44 耐热金属件的发展用碳化硅笼格式炉胆代替耐热钢炉胆，可使炉膛升温快，保温性能好，炉子热效率提高，炉衬和电热元件寿命延长，维修工作量减少，经济效益显著。棕刚玉一碳化硅质导轨代替耐热钢导轨，使用寿命长，在高温下有良好的耐磨性，表面光滑，不变形，可节能和保证质量。为了解决渗氮罐的抗老化性能．延长使用寿命，采用高温搪瓷技术研制的搪瓷渗氮罐可以解决原渗氮罐长期存在的问题，使氨分解率稳定，使用寿命长。45 思考题与习题1、试述耐火度和高温结构强度的基本概念。2、耐火材料和保温材料都有哪些，其主要用途是什么?3、在可控气氛炉中使用耐火材料时，需注意哪些问题?46 4、某热处理炉，其内壁温度为950℃，采用QN-0.8轻质粘土砖115mm和B级硅藻土砖砌筑，在热稳定条件下测得炉外壁温度为70℃，试求通过炉壁的热流密度。5、某炉炉壁用0.15m厚的硅酸铝耐火纤维毡砌筑，炉膛温度为950℃，炉外壁周围空气温度为20℃，试求通过炉壁散失的热流密度(其热导率见附表4)。47 测定耐火度的方法是：将试样制成一个上底每边为2mm，下底每边为8mm，高30mm的截头等边三角锥，把该三角锥与已知耐火度的标准锥一起放在高温电炉内升温，以规定速度加热到某一温度时，待测三角锥和某号标准锥同时弯倒(如图所示)，锥尖正好接触托盘表面时，这个标准锥的耐火度就是试样的耐火度。耐火度与锥号的关系，在我国采用的是锥号相当于耐火度十分之一的数字，例如175号标准锥其耐火度为1750℃。48 49 50 抗渣性是耐火材料在高温条件下抵抗各种熔融金属、熔渣、炉尘等的侵蚀作用的能力。对加热炉而言，经常遇到的是熔融氧化铁皮对耐火材料的侵蚀，某些热处理炉还要注意炉内气氛对耐火材料的影响。熔渣及炉尘对耐火材料的侵蚀，包括化学侵蚀、物理溶解和机械冲刷三方面作用，有时几种作用兼面有之。对抗渣能力影响最大的是耐火制品与熔渣的化学成分，制品的化学成分按属性分为酸性、碱性和中性。51 52 53 54 55 56 57 58 59'