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耐火材料行業知識

耐熱鋼纖維及錨固件對整體性窯爐用耐火材料的重要性

一、概述
一般情況下,耐火材料工藝不討論金屬材料。但是,耐熱鋼纖維和耐熱鋼錨固件都是整體性窯襯的重要組成部分,耐熱鋼能否有效發揮作用對不定形耐火材料的使用效果有重要的影響。所以,本節敘述涉及耐熱鋼的基礎知識,涉及耐熱鋼焊接的問題將在后續章節中討論。
對高溫下使用的耐熱鋼或其他金屬材料使用性能的要求有三條:
① 要有足夠的力學性能,比如高溫強度、持久強度、蠕變極限等;
② 要有足夠的高溫化學穩定性;
③ 良好的工藝性能,比如焊接性能等。
要弄清這些問題,就需要從鋼鐵材料的基礎知識開始。
二、鐵碳合金相圖
鐵碳合金相圖描述了平衡狀態下Fe、C兩種元素 組成合金的物相組成隨溫 5、化學組成變化而變化的規律。因此,鐵碳合金相圖是研究鋼鐵成分、組織和性能之間關系的基礎。
碳含量低于0.021%時,鐵碳合金叫做工業純鐵。工業純鐵具有的塑性、電磁性能和耐腐蝕性能,常用于制作深沖制品(如搪瓷)、電子器件以及要求比鋼具有更好的耐蝕性而強度不高的場合。
碳含量0.021%〜2.11%時,鐵碳合金叫做鋼。其中,碳含量0.021 %〜0.77%的 鐵碳合金叫做亞共析鋼;碳含量等于0.77% (位于S點)的鐵碳合金叫做共析鋼; 碳含量0.77%〜2.11%的鐵碳合金叫做過共析鋼。
碳素鋼依含碳量的高低分為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼。其中,低碳鋼的碳含量為0.08%〜0.25%。低碳鋼的硬度低、強度低,但可加工性好,易于進行鍛造、焊接和切削,多用于工程結構件及鉚釘、螺栓、鏈條、軸等部件。
中碳鋼的碳含量為0.25%〜0.55%,具有良好熱加工及切削性能,但焊接性能較差。中碳鋼的強度、硬度比低碳鋼高,但塑性和軔性低于低碳鋼。中碳鋼可不經熱處理,直接使用,亦可經熱處理后使用。熱處理后,中碳鋼具有良好的綜合力學性能。所以,在中等強度水平的各種用途中,中碳鋼得到最廣泛的應 用,除作為建筑材料外,還大量用于制造各種機械零件。
高碳鋼的碳含量為0.60%〜2.25%,多用于制造彈簧和工具。比如,錘、 撬棍等工具由含碳量約0.75%的鋼制造;而切削工具如鉆頭、絲攻、鉸刀等由 含碳量0. 90%〜1. 00%的鋼制造。
碳含量2. 11%〜6. 69%時,鐵碳合金叫做鑄鐵。其中,碳含量2. 11%〜 4. 30%的合金叫做亞共晶鑄鐵;碳含量等于4.30% (位于L點)的合金叫做共晶鑄鐵;碳含量4.33%〜6.69%的合金叫做過共晶鑄鐵。鑄鐵生產工藝簡單、 制造成本低廉,具有良好的鑄造性能、耐壓強度、耐磨性能和減震性能,在機械 行業得到了廣泛的應用。
由前所述,根據鐵碳相圖將鐵碳合金分為純鐵、鋼和鑄鐵,而鋼和鑄鐵又按含碳多少分為三種,見表6-33。
三、鋼的高溫性能
1.概述
耐火材料中,鋼纖維起增強作用;錨固件起粘接整體性窯襯和窯體的作用, 鋼纖維和錨固件都經受高溫長期作用,且承受很大應力的作用。
隨溫度增高,金屬性能會發生變化。同時,高溫下隨載荷作用時間的延長金屬的性能也會發生變化。例如,20#鋼在450℃的短時抗拉強度為330MPa,但承受230MPa的應力,持續300h就發生斷裂。如果應力減少到120MPa,持續10000h也發生斷裂。所以,高溫下金屬材料的力學機械性能,不能簡單根據常溫短時應力-應變曲線來評價,必須考慮溫度和時間兩個因素,研究溫度、應力、 應變與時間的關系,根據性能隨溫度和時間而變的規律來合理使用材料。
其次,高溫下金屬材料的活潑性很高。比如,耐熱鋼會與窯氣中的O2、 SO2、H2O等作用。被腐蝕之后,耐熱鋼的體積膨脹、性能變劣,不僅不能發揮有益作用,還會加速耐火材料的損壞。所以,不同的耐熱鋼對使用溫度和環境均有一定的要求,只有正確地使用了耐熱鋼材料,才可以使窯襯獲得正常的壽命。
2.蠕變極限
高溫下,金屬在長時間恒溫、恒力作用下,即使所受應力小于屈服強度,也會緩慢產生變形。這種現象叫做蠕變。當將碳素鋼加熱到300°C以上,合金鋼加熱到400°C以上,就應該考慮蠕變的影響。
蠕變分為三個階段。第一階段ab是減速蠕變階段,開始蠕變速率很大,后來蠕變速率逐漸降低,到b點速率達到最小。第 二階段&是恒速蠕變階段,隨時間延長,蠕變速率幾乎不變,直至c點。一般所指的蠕變速率就是指這一階段的速率。第三階段W是加速蠕變階段,隨時間延長,蠕變越來越快,至d點材料發生斷裂破壞。
3.持久強度
金屬材料的持久強度是在給定溫度下受恒定載荷作用,于規定的持續時間內.不引起試樣斷裂的最大應力。
持久強度的試驗是在恒定溫度下,將一組試樣分別施加不同應力進行長期的拉伸試驗,直到斷裂為止。從中得到一組應力和斷裂時間的數據,然后在雙對數蘭標圖上繪出應力-斷裂時間線性關系圖,從中得到規定時間內所能承受的最大應力,即為持久強度的數值。
4.高溫抗氧化性
鋼在高溫含氧介質中抵抗氧化腐蝕的能力,稱為鋼材的抗氧化性能。鋼的抗氧化性主要取決于鋼中Cr、Al、Si等元素的含量。
鋼高溫抗氧化性用氧化速率表示。氧化速率是在規定溫度下,在氧化介質中,試樣的單位表面積在單位時間內,其質量的增加值。該值越小,說明鋼的氧化增重越少,鋼的抗氧化性也就越好。
四、耐熱鋼的成分
1. 碳素鋼和合金鋼
鋼的生產中,普通碳素鋼占總產量的70%〜80%。碳素鋼是以鐵碳合金為基礎,同時還含有少量長存元素如Mn、Si、S、P、N、H、0,以及某些其他金屬如 Cu、V、Ti、Cr、Ni、Mo 的鋼。
碳素鋼中,Mn的含量為0.25%〜0.50%,起提高鋼的強度和淬透性的作 用。Si的含量為0. 1%〜0.3%,與Mn —起起強化的作用。Cu的含量< 0.35%,對鋼的組織和性能沒有顯著影響,但可提高鋼的耐蝕性。一般情況下, S、P、N、H是雜質元素,對鋼的性能有害。但特殊情況下,某些雜質元素對 鋼的某些性能又可能有益。比如,優質鋼中P的含量<0.04%,但易切削鋼 提高易切削性將P的含量提高到0.08%〜0.15%。
一般情況下,低合金鋼的合金元素總量不超過5%。普通低合金鋼的設計原 則就是利用盡量少的合金元素獲得盡可能高的性能。低合金耐熱鋼具有一定的耐 熱性,價格便宜,又有良好工藝性能,被廣泛用于鍋爐、汽輪機、燃氣輪機和化工設備。例如,奧氏體耐熱鋼是一種性能優良的高合金耐熱鋼,但其價格是普通碳素鋼的10倍以上,低合金耐熱鋼的3〜7倍。
為了提高性能,需要進一步提高鋼中的合金含量。中合金鋼的合金元素總量為5%〜10%;高合金鋼的合金元素含量為10%〜50%。按照用途,又將合金鋼分為結構鋼、工具鋼、模具鋼、彈簧鋼、軸承鋼、不銹鋼、耐熱鋼等。其中,不銹鋼和耐熱鋼之間彼此重疊很多。
2. 普通鋼材的抗氧化性
鋼在高溫下與空氣接觸時,表面要發生氧化,生成氧化膜。在不同的溫度下,隨時間延長,Fe的氧化增重變化是不相同的。
溫度小于200°C時,Fe的氧化增量△m和時間τ的對數成正比,增重的速率δ△m/δτ和1/τ成正比。隨時間延長,氧化增重的速率變得相當緩慢。
溫度為250〜575°C時,Fe的氧化增量△m和時間τ的1/2次方成正比,增重的速率δ△m/δτ和1/τ的1/2次方成正比。隨時間延長,氧化增重比較迅速。
當溫度超過575°C時,氧化速率明顯增加。如圖6-28所示是鐵在650°C氧化24h后的氧化膜結構。
由圖6-28可知:鐵的氧化膜分為3層。最外層是Fe2O3,次外層是Fe3O4;最內層為FeO。其中,FeO層厚度最大.對材料的損害最為嚴重。高溫下,鋼的抗氧化性變差,這是由于在氧化膜中,除了 Fe2O3和Fe3O4之外,還出現了 FeO層。當FeO層出現后,FeO中有Fe離子缺位,Fe離子在 FeO中有很高的擴散系數。由此,引起Fe的快速氧化。
為提高鋼的抗氧化性,首先要阻止FeO層的出現,并能形成合金的氧化膜。如果氧化膜的結構比較致密,Fe、0離子通過膜比較困難,鋼的氧化速率就得以大幅度降低。為提高鋼的抗氧化性,需要在鋼中添加鉻等元素。
3.鉻對鋼性能的影響
鉻是耐熱鋼的主要合金元素,對鋼的耐熱性起重要的作用。
鉻是穩定鐵素體(α-Fe)和縮小奧氏體(γ-Fe)的元素。 當鉻含量小于12%時,溫度變化時Fe-Cr合金發生a→γ 轉變。當Cr含量大于13%時,Fe-Cr合金不發生相變,溫度變化時鐵鉻合金均保持《相組織,其晶粒大小不能通過熱處理的方法加以改變。
由圖6-29可知,鐵素體耐熱鋼在 500〜800°C長時間保溫,就可能析出相,致使鋼產生脆性。這種脆性被稱為<7 相脆化。
鉻含量大于15%的鐵素體鋼,鐵素體含量大于15%的奧氏體鋼,在400〜500°C長時間保溫因析出a'相而強烈脆圖6-29 Fe-Cr二元合金相圖化,這被稱為475°C脆性。
4. Ni對鋼性能的影響
Ni是奧氏體(y-Fe)的形成元素和擴大相區、形成無限固溶體的元素。
α-Fe中Ni的最大固溶量為7%。Ni的主要作用是擴大奧氏體的相區。比如,對含Cr18%的合金鋼,加入2%的Ni就可以擴大γ-Fe相區;加入4%的Ni,奧氏體的穩定性明顯增加,但650℃的回火或冷加工時奧氏體易分解;如加入8%的Ni,γ-Fe相區進一步擴大貨位奧氏體剛。
5.耐熱鋼的組織圖
當耐熱鋼中存在多種元素時,其組織可以根據耐熱鋼組織圖來判斷。如圖6-31所示就是以鎳當量(%Ni+30×%℃+0.5×%Mn)和鎳當量(%Cr+%Mo+1.5×%Si+0.5%Nb)表示的耐熱鋼組織圖。利用改圖就可以大致可以根據耐熱鋼的化學成為判斷其物相組成,進而估計其理化性能。
依照Cr、Ni含量不同,不銹貨耐熱鋼分馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼的等品種。
馬氏體不銹鋼含12%〜18%的Cr, 0.1%以上的C。當加熱至臨界溫度以上并進行快冷時,可獲得馬氏體組織。這類鋼具有高的硬度、強度,耐磨性好,有磁$性,易熱加工,但耐蝕性較差,不易冷加工,可焊性不好。因為最后幾條缺點,這種鋼不宜作為錨固件,但常作為餐具、泵軸、醫療器件、刃具和耐磨零件。
鐵素體不銹鋼含12%〜18%的Cr,0.1%以下的C加熱時不發生相變,一般不能用熱處理強化。這類鋼具有三種脆性傾向:175℃脆性、a相析出脆性和晶粒長大引起的脆性,焊接性差,但高溫抗氧化好。因為最后兩條性質,鐵素體不鎊鋼不宜作為錨固件,但可作低檔耐熱鋼纖維使用。
奧氏體不銹鋼含12%〜25%的Cr,8%〜30%的Ni,即Cr-Ni奧氏體鋼。 加熱時,Cr-Ni鋼的組織穩定,不能通過淬火強化。奧氏體不銹鋼隨Cr含量增加,抗氧化性増強;隨Ni含量增加,抗應力腐蝕性能改善。奧氏體不鎊鋼低溫 韌性極好,無磁性,加工、成形和焊接性能較好。對于工作溫度超過l000°C的爐內構件,常使用鉻鎳奧氏體鋼。
雙相不銹鋼是通過在純奧氏體組織中増加鐵素體形成元素的含量而制得的。 在固溶狀態使用條件下,雙相不銹鋼具有奧氏體-鐵素體組織。雙向不鎊鋼不鎊 耐蝕,具有高強度、易加工和可焊接的性質,可作彈簧、軸及宇航設備等。
五、耐熱鋼的牌號
1.普通鋼牌號的確定
我國普通鋼的編號是按鋼材的含碳量及所含合金化學成分范圍來確定的,編號方法如下。
① 鋼號的首位數字表示含碳量。對于碳素鋼,結構鋼以萬分之一碳作為一個數字單位。例如,45#鋼,表示碳含量為0.45%的碳素結構鋼。對于碳素鋼, 工具鋼則以千分之一的碳作為一個數字單位。例如,TlO表示碳含量1.0%的碳素工具鋼。數字前面的T作為區分碳素工具鋼和碳素結構鋼的標志。
② 對于普通合金鋼,在表示碳含量數字的后面,用元素的化學符號來表示合金元素。當元素的上限含量超過1.6%時,在元素后邊注出近似的百分比值。 若不超過1.6%時,只給符號,不標出數值。例如,35Cr2V,表示平均碳含量 0.35%,含Cr2%,并含少量V的合金結構鋼;09Mn2,表示平均碳含量0.09%,含Mn 2%的合金結構鋼。再如,9SiCr表示平均含碳量0.9%,并含少量硅和鉻的合金工具鋼。
特別注意:合金結構鋼以萬分之一碳作為一個數字單位,并用兩位數字表示碳含量。合金工具鋼以千分之一碳作為一個數字單位,并用一位數字表示碳含量。由此,區分出了結構鋼和工具鋼。
2.我國不銹鋼牌號的確定
不銹鋼的牌號和耐熱鋼有很多重合。不銹鋼牌號的首位阿拉伯數字表示含碳量=由于各鋼號不銹鋼的含碳量差別很大。
3.美國不銹鋼牌號的確定
美國鋼鐵協會AISI將不銹鋼分為五大類:
ASISI200系列為低鎳鉻錳氮不銹鋼;
ASISI300系列為鎳鉻不銹鋼;
ASISI400系列為鉻系不銹鋼;
ASISI500系列為低鉻不銹鋼;
ASISI600系列為沉淀硬化不銹鋼。
其中,耐火材料常用的是ASISI300和ASISI400系列的不鎊耐熱鋼。
六、耐熱鋼纖維
耐火材料中使用含Cr、Ni的耐熱不銹合金鋼是經熔抽工藝制得的,截面為彎月狀的鋼纖維。
最早,鋼纖維采用冷拔、壓型、剪斷、切削等冷加工手段制得。鋼纖維不僅制造成本很高,有的還不利于纖維和基材的粘接。后來,開發了熔抽工藝。熔抽法如圖6-32所示:一組水冷鋼盤插入鋼水。鋼盤高速旋轉.將鋼水冷后甩出,形成纖紳。通過改變鋼水溫度,冷卻強度,鍵盤的插入深度、旋轉速度、厚度及及其他形狀特征尺寸等參數.可以控制甩出纖維長度、寬度和截面形狀。由此,可以批量生產出鋼纖維。鋼纖維成本降低、產量擴大,截面形狀和表面光潔度改善,性價比值提高,使鋼纖維增強材料得到快速推廣。耐熱鋼纖維的性能見表6-35。

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