（材料加工工程专业论文）外热式坩埚td盐浴炉的研究与改进.pdf

独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 武汉理工大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。 签名：日期： 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：f 复蝻导师( 签名) ：五年吕日期争r l 7 摘要 目前，t d 盐浴渗金属在国内的工业应用正处于起步阶段，与日本相比，不 仅在应用范围、规模及经济社会效益上存在巨大差距，而且在许多相关技术上 存在着许多待研发的课题。其中，t d 盐浴渗金属的设备在国内还几乎是空白。 在国内一些应用t d 盐浴渗金属的单位目前主要用外热式坩埚盐浴炉。由于尚无 正规生产研发此种设备的企业，各单位使用的外热式坩埚t d 盐浴炉普遍存在如 下问题：( 1 ) 热效率不高；( 2 ) 坩埚寿命不长；( 3 ) 盐浴防氧化问题；( 4 ) 操 作机械化自动化程度不高；( 5 ) 盐浴偏析较严重。 针对上述问题，本文重点研究以下内容：( 1 ) 坩埚材料的耐蚀性及抗氧化 性分析；( 2 ) 如何更有效地提高外热式坩埚t d 盐浴炉的热效率：( 3 ) 如何更有 效地防止盐浴偏析。 对盐浴炉用金属材料的研究，为避免试样在实验过程中产生覆层，又要使 盐浴主要成分接近t d 处理时的成分，选取硼砂浴配方( 质量分数) ：氟化钠， 1 2 5 ；脱水硼砂，8 7 5 。材料中对高温耐蚀性及高温抗氧化性最大贡献的是 n i 、c r 元素，所选材料的c r 含量为1 5 0 旷2 5 ，n i 含量为9 8 0 ，几乎包括 了主要的耐热耐蚀不锈钢。 通过对炉衬结构的改进、炉衬材料的选取及红外辐射材料的应用的方法解 决现有外热式坩埚t d 盐浴炉热效率低的问题。 盐浴成分的配比不同，有时造成t d 处理过程中盐浴发生较大偏析，对t d 盐浴碳化物覆层的形成造成一定的影响。为了不影响盐浴的成分且能有效地减 少盐浴偏析，综合考虑采用外加搅拌装置来实现。 对以上内容的研究结果为：1 ) 试验所选用c r - n i 不锈钢中，c r 2 0 n i 3 5 不锈 钢在硼砂浴中具有最佳耐蚀性；试样的腐蚀主要集中在硼砂浴面与空气的交界 面处，其它部位腐蚀较弱，硼砂浴中n a 2 0 和b ：0 3 的存在加速了试样的腐蚀；2 ) 炉子采用大尺寸结构拼装，搁丝台成波浪形，在其表面涂覆一层以c r 2 0 3 和f e 2 0 3 为主要材质的远红外辐射涂层，加强了炉内的辐射能量和强度，提高了热效率： 3 ) 加入盐浴搅拌装置，盐浴偏析问题得以改善；安装简易防高温氧化装置可以 有效防止浴盐的老化。 利用以上研究结论和部分专利技术，对外热式坩埚t d 盐浴炉进行了改进设 计，使其功能、性能、操作方便性、热效率及使用寿命等均得到显著改善。 关键词：盐浴炉，t d 处理，防氧化，耐腐蚀 i i a b s t r a c t p r e s e n t l y , s e e p i n gm e t a le l e m e n tw i t l lt ds a l t b a t hi so ni n c i p i e n tp h a s e ，a n d c o m p a r e dw i t hj a p a n ，t h e r ea r em a n yh u g eg a p sn o to n l yi na p p l i e dr a n g e ，s c a l ea n d s o c i e t ye c o n o m i cb e n e f i t s ，b u ta l s o i nm a n yr e l e v a n t t e c h n i c a lt a s k sw h i c ha r e w a i t i n gf o rr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t t h e nw ea l lk n o we q u i p m e n t so ft ds a l t - b a t h a r es e e m i n g l yb l a n k s o m ec o m p a n i e sw h i c hs e e pm e t a le l e m e n t 、析mt ds a l t b a t h m a i n l yu s eo u t s i d e - h e a tc r u c i b l es a l tb a t hf u r n a c e b e c a u s et h e r ea r en oc o m p a n y w h i c hc o u l dp r o d u c et h i sk i n do fa p p l i a n c e ，s o m ep r o b l e m sa r ce x i s tf o re x a m p l e ： ( 1 ) t h e r m a le f f i c i e n c yi sl o w ；( 2 ) l i f eo fc r u c i b l ei ss h o r t ；( 3 ) s a l tb a t hd e f e n d i n g o x i d a t i o n ；( 4 ) o p e r a t i o nm e c h a n i z a t i o na n da u t o i m m u n i z a t i o na r en o ta d v a n c e d ；( 5 ) s a l tb a t hs e g r e g a t i o ni ss e r i o u s a c c o r d i n gt h ep r o b l e m sa b o v e ，t h i st h e s i si n v e s t i g a t e si t e m ss u c ha s ：( 1 ) m a t e r i a lo fc r u c i b l ed e f e n d i n go x i d a t i o na n dc o r r o s i o na n a l y s i s ；( 2 ) h o wt oi m p r o v e t h e r m a le f f i c i e n c yo fo u t s i d e - h e a tc r u c i b l es a l tb a t hf u r n a c ee f f e c t i v e l y ；( 3 ) h o wt o a v o i ds a l tb a t hs e g r e g a t i o ne f f e c t i v e l y i n v e s t i g a t i n gm e t a lm a t e r i a l so fs a l tb a t h ，t oa v o i de m e r g i n gc a r b i d el a y e ro nt h e s u r f a c eo fs a m p l ed u r i n gt h ee x p e r i m e n t ，a n dt h em a i ne l e m e n t so fs a l tb a t hc o u l d s e e mt ot h ee l e m e n t si nd i s p o s a l ，a n dm a s sf r a c t i o ni sn a c i12 5 ；d e h y d r a t eb o r a x 8 7 5 t h em a i ne l e m e n t sc o n t r i b u t i n gt od e f e n d i n gh i g ht e m p e r a t u r ec o r r o s i o na n d o x i d a t i o na r cn ia n dc r , a n dc r15 0 o 2 5 ，n i9 0 o - - - 8 0 ，s ot h e s ei n c l u d i n ga l l h e a t - r e s i s t i n ga n dc o r r o s i o nr e s i s t a n ts t a i n l e s ss t e e l s b yi m p r o v i n gt h el i n i n gs t r u c t u r e ，l i n i n gm a t e r i a la n dt h ea p p l i c a t i o no fi n f r a r e d r a d i a n tm a t e r i a l ，t oi m p r o v et h et h e r m a le f f i c i e n c yo fo u t s i d e h e a tc r u c i b l et ds a l t b a t hf u m a c e t h ep r o p o r t i o no fs a l tb a t he l e m e n ti sd i f f e r e n t , s ot h e r ew i l lb es e g r e g a t i o n s e r i o u s l y ；t h i sa f f e c t st h ef o r m a t i o no ft ds a l tb a t hc a r b i d el a y e r t oa v o i dt h e p r o b l e m sa b o v e ，w em a k eu s eo fc h u r n - d a s h e r w eh a v es o m er e s u l t sf o ra b o v ec o n t e n t sa sf o l l o w ：1 ) i ns e l e c t e dc r - n is t a i n l e s s s t e e l ，c r 2 0 n i 3 5s t a i n l e s ss t e e lh a v et h eb e s tc o r r o s i o nr e s i s t a n c ei nb o r a xs a l t b a t h ； i i i i v 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论1 1 1 热处理浴炉概况1 1 1 1 浴炉的特点。1 1 1 2 浴炉的分类1 1 2 外热式盐浴炉的发展状况3 1 2 1 常规外热式坩埚盐浴炉。3 1 2 2 一种精确控温的热扩散处理设备3 1 3 外热式坩埚盐浴炉存在的问题5 1 4 本文主要研究内容及意义5 第2 章外热式坩埚t d 盐浴炉的功能与结构改进。6 2 1 实现盐浴防氧化功能的措施6 2 2 提高盐浴炉的热效率的措施6 2 2 1 提高炉膛内热效率采取的措施7 2 2 2 降低炉壁热损失采取的措施1 0 2 3 炉盖密封性问题及机械化装置1 1 2 3 1 炉盖液压升降机构1 l 2 3 2 炉盖的密封1 l 2 4 盐浴搅拌装置1 l 2 5 本章小结。1 1 第3 章盐浴炉用金属材料的研究1 3 3 1 引言。1 3 3 2 实验过程及数据。l3 3 2 1 试样及基盐1 3 3 2 2 腐蚀试验13 3 3 实验材料腐蚀性及抗氧化性分析15 3 3 1 材料的腐蚀性分析1 5 v 第 4 8 改进后的外热式坩埚t d 盐浴炉的优点2 6 4 9 本章小结：2 7 第5 章结论与展望2 9 5 1 结论2 9 5 2 展望3l 参考文献3 2 攻读硕士学位期间发表的论文3 5 翌| 【谢3 6 v l 武汉理工大学硕士学位论文 1 i 热处理浴炉概况 1 1 i 浴炉的特点 第1 章绪论 浴炉是利用液体作为介质进行加热或冷却工件的一种热处理炉。按所用液体 介质的不同，浴炉有盐浴炉、碱浴炉、油浴炉、铅浴炉等i l 捌。其中以盐浴炉最 为普遍。 浴炉的工作温度范围很广( 6 0 0 1 3 5 0 0 c ) ，除不能完成随炉冷却的退火工艺 外，可以完成多种热处理工艺：淬火，回火，分级淬火，等温淬火、正火，局部 加热及化学热处理等。 工件在浴炉中加热与液体介质相接触，靠对流热换，换热系数大，加上工件 加热时不直接与空气接触，因此，具有加热速度快，温度均匀和不易氧化脱碳等 优点，可以对工件进行局部加热及高温短时快速表面加热。浴炉结构简单，制造 方便，便于实验机械化。 电极盐浴炉除具有以上优点外，炉体内的坩埚用耐火材料制成，在1 3 5 0 0 c 仍有较长的寿命，因此，电极盐浴炉的应用最为广泛。与电阻炉相比，盐浴炉的 主要缺点是装料少，只适用于中小零件的加热；炉口向上敞开热损失大，启动、 脱氧操作麻烦，需要消耗盐，碱等介质；劳动条件较差，液体蒸汽的介质必须排 除，否则污染环境。另外，必须指出，经盐浴炉处理的零件，必须仔细清洗，因 为零件上粘附盐，极易受腐蚀。盐浴炉虽然有以上缺点，但其所具备的优点使其 仍然成为热处理车间的主要设备，特别适用于一些尺寸不大，形状复杂，表面质 量要求较高的工模具及精密零件。 1 i 2 浴炉的分类 浴炉按照热源供给方式不同，分为外热式浴炉管状电热元件加热浴炉及内 热式电极盐浴炉三种。 1 1 2 1 外热式浴炉 外热式浴炉主要由炉体和坩埚组成。坩埚可用l o - - - , 1 5 m m 左右的耐热耐蚀钢 武汉理工大学硕士学位论文 板焊接而成，也可用2 0 r a m 左右壁厚的耐热铸铁铸造而成。坩埚上边缘与炉体的 重叠尺寸应大一些，且与炉体紧密相连，以防止盐浴流入炉体加热室腐蚀坩埚外 壁和加热元件。坩埚上应焊吊耳，以便装吊。坩埚底部应支撑在炉体的耐火材料 上，防止在工作时由于盐的重量过大使坩埚底部焊缝开裂。 外热式浴炉的炉体结构设计与一般电阻炉和燃料炉相同。但必须注意，当用 电加热时，电热元件的布置高度要略低于坩埚内液体介质的高度，否则坩埚壁会 因局部受热及氧化而过早损坏；当用燃料加热时，燃烧器应沿炉膛内壁切线方向 布置，并低于介质液面高度，否则也会引起坩埚早期损坏。 外热式盐浴电阻炉我国目前使用的规格有r y g 系列三个规格，其主要优点是 不需要变压器，启动操作方便。缺点是必须用金属坩埚，热惰性大，坩埚内外温 差大，随工作温度升高，坩埚寿命急剧降低，所以使用温度不能太高。 目前外热式坩埚燃料炉尚无标准产品，大部分为工厂自行设计制造。 1 1 2 2 管状电热元件加热的浴炉 管状电热元件加热的浴炉由管状电热元件、坩埚和炉衬等组成。硝碱炉，碱 浴炉，油炉均可采用管状电热元件加热。主要用于5 5 0 0 c 以下的钢件回火，等温 淬火和铝合金淬火加热。 此类炉子使用温度一般低于5 5 0 0 c 。坩埚用l o m m 左右的低碳钢板焊成，对大 型铝合金件淬火加热用硝盐槽，坩埚壁厚可达2 0 m m 。坩埚底部应支撑在炉体保 温材料上。 管状电热元件加热的浴炉炉体结构，由于炉温低，只需在炉壳内填充1 0 0 2 0 0 m m 厚保温材料即可。 采用管状电热元件有许多优点：炉体结构简单紧凑，热损失小，炉温比较均 匀，温度调节较灵敏，维修方便。在硝盐中使用管状电热元件时，元件管壁易受 硝盐的侵蚀，管壁要用不锈钢制作。 1 1 2 3 内热式电极盐浴炉 电极盐浴炉属于内热式浴炉，是以熔盐本身为电阻，电流通过熔盐而发热， 它由炉体，坩埚、电极及盐炉变压器组成。 分类及工作原理：电极盐浴炉按炉温可分为低温( 6 5 0 0 c ) ，中温( 6 5 0 - 1 0 0 0 0 c ) 和高温( 1 0 0 0 1 3 0 0 0 c ) 三种。低温炉常用于高速钢的分级淬火和回火， 坩埚用低碳钢板焊接为好，也可用耐火材料砌成。中温炉常用于碳钢，低合金钢 件的淬火加热，高速钢的淬火预热和化学热处理。高温炉主要用于高速钢和高合 金钢件的淬火加热。中，高温炉的坩埚一般都用耐火材料砌成。电极盐浴炉按电 极在坩埚内布置方式的不同，可分为插入式电极盐浴炉和埋入式电极盐浴炉。 2 武汉理工 电极盐浴炉的工作原理是：在电极间通入低压( 安全电压3 6 v 以下) ，大电 流( 几百至几千安培) 的交流电，利用熔盐本身的电阻产生的热量将盐熔化，并 加热到工作温度。 1 2 外热式盐浴炉的发展状况 自1 9 6 8 年丰田研究中心首次提出t d 法【3 8 1 盐浴渗金属以来，国外先后有许 多关于用这一方法进行材料表面改性研究的文献报道，然而关于t d 处理设备的 却未见报道。国内自从开展t d 法研究以来虽然提出了使用外热式坩埚和内热式 电极盐浴炉，但这些设备均存在一些弊端。 1 2 1 常规外热式坩埚盐浴炉 由于硼砂盐浴侵蚀耐火砖炉衬十分严重，因此，自今国内盐浴渗金属仍采用 外热式坩埚盐浴炉。其基本结构为四周的o c r 2 5 a 1 5 电阻丝，中间的1 c r l 8 n i 9 t i 坩埚，炉膛内用热电偶控制温度。用此结构的设备实施t d 处理，存在以下几个 问题： 1 常规的外热式坩埚盐浴炉没有加装侧面热电偶，仅靠中心热电偶控温，其 测得的盐浴温度与炉膛温度相差甚远，甚至相差2 0 0 - - 一3 0 0 ，造成电炉丝烧断， 坩埚烧穿，熔盐温度不均( 升温时由为明显) 。 2 坩埚用材1 c r l 8 n i 9 t i ，长期使用易损蚀。 3 热电偶腐蚀严重，3 ，4 炉后即会蚀穿，报废。 4 能耗大、热效率低、工艺成本高。 1 2 2 一种精确控温的热扩散处理设备 1 2 2 1 设备组成 该设备主要由两部分组成：l 、外热式坩埚t d 盐浴炉；2 、电炉控制柜。其 中，外热式坩埚t d 盐浴炉是t d 处理的主要设备。 1 2 2 2 外热式坩埚t d 盐浴炉的结构 3 武汉理工大学硕士学位论文 1 炉盖 2 坩埚围定圈 3 炉膛 4 炉脾外壳 5 坩埚支架 6 加热元件 7 控温热电偶 8 坩埚 9 中心热电偶 图l - 1 外热式坩埚t d 盐浴炉的结构示恿图 f i gl - 1o u t s i d e - h e a tc r u c i b l et d s a l tb a t hf u r n a c e 图1 1 是外热式坩埚t d 盐浴炉的结构示意图1 9 1 们。控温采用两个热电偶分 别控制炉膛温度和盐浴温度。控温热电偶选用的是由武汉电炉厂提供的刚玉管热 电偶；中心热电偶是镍铬镍硅式热电偶，保护套是由陶瓷制成。坩埚尺寸略小于 工作室尺寸。 1 2 2 3 温度控制原理 电阻炉与控制柜配套安装好后，通过配合使用，即可实现自动和手动控制电 炉的炉膛温度和盐浴的温度1 1 1 】。测量和控制炉膛温度、盐浴温度是通过与电炉 控制柜相连的两根热电偶。其中一根是通过炉子的侧面插入电阻炉的炉膛内，称 为控温热电偶，其主要作用是测量炉膛内的温度，通过设置最高温度来控制炉子 的实际温度。工作时，测出炉膛的真实温度，并把温度数据输入到控制柜，通过 控制柜的检测和控制柜中的可控硅元器件的相应动作来实现输出电流的调整，从 而达到控制炉膛温度的目的【1 2 - 1 3 1 。在炉壁侧面增设的控温热电偶，改变了传统电 阻炉的内外温差甚远的弊端，使坩埚内外温度均匀，不会造成坩埚外超高温而烧 断电阻丝及烧穿坩埚，亦不会蚀损热电偶。另一根热电偶是通过炉盖插入盐浴中， 称为中心热电偶，其主要作用是测量坩埚内盐浴的温度，而且在不需要测量盐浴 温度时，热电偶不需插入盐浴中，这样就可降低热电偶的腐蚀和破坏，延长其使 用寿命，而且不影响炉盖开启及工件的装放。 1 2 2 4 此设备的应用效果 经过上百次开炉使用证明，该t d 处理设备结构合理，控温精确，可以达到 士2 的偏差，显著地提高了坩埚和热电偶的使用寿命，适合于实验室和工业化 生产使用。而且该设备的应用范围广，适合于推广应用。 4 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章外热式坩埚t d 盐浴炉的功能与结构改进 2 1 实现盐浴防氧化功能的措施 在国内一些应用t d 技术的单位，目前使用的外热式坩埚t d 盐浴炉大多是 在空气中加热实现的，容易造成盐浴的活性不足及老化，对共渗速度、渗层质量 产生较大影响。因此，寻求一种有效防止盐浴氧化的方案尤为重要【l 纠6 1 。综合分 析，可以从以下两方面着手：一是对外热式坩埚t d 盐浴炉本身结构进行改进， 如将外热式坩埚t d 盐浴炉改成类似于渗碳、渗氮真空炉。二是通过采用添加一 种通保护气体的外接装置来达到防止盐浴氧化的目的。 如果将外热式坩埚t d 盐浴炉改成真空炉，虽然可以有效防止盐浴氧化，但 真空系统较为复杂，制造成本偏高，因此，采用第二种方案来实现盐浴的防氧化 功能。 2 2 提高盐浴炉的热效率的措施 工业炉在我国属能耗大户，其耗能约占全国总能耗的四分之一。热处理用炉 是工业炉中的主要族员，普遍用于各种金属材料热处理生产中，如淬火、退火、 正火、回火和化学热处理等，是目前国内外应用最广泛的热处理加热设备。现有 的电阻炉炉衬全部采用小块砖砌筑而成，在实际使用过程中存在下述问题： 1 搁丝砖易损坏：担放电阻丝的搁丝砖到炉底板的距离一般为8 0 1 2 0 毫米之间， 由于搁丝砖尺寸很小，厚2 0 毫米，宽5 0 毫米，故因进出工件时常因碰撞而断裂， 断掉3 4 块后电阻丝即下垂、断开发生故障；2 热效率低，耗电量大：炉底板 由2 3 排导热率高的重质砖支撑，电阻丝放置在重质砖之间的大搁砖上，砖缝多， 热损失大；炉衬材料保温性好，但辐射率低，导致炉子升温慢，增加了辅助时 间，浪费资源；同时电阻丝因自身温度过高、过热而变脆易断，故障率增加。目 前我国各类井式电阻炉的热效率普遍都很低，一般只在2 - - 2 5 ，甚至有些部门 和单位的热效率还不到2 ；3 维修费用高：维修时间间隔短，使总体维修费用 增加。由此可见，电阻炉的节能技术改造( 1 7 - 2 7 1 是一项很有现实意义的工作。 针对本文研究的外热式坩埚t d 盐浴炉的节能技术改造主要可以从如何减少 6 武汉理工大学硕士学位论文 电炉辅具的加热能耗与降低炉壁的热损失两方面着手。 2 2 1 提高炉膛内热效率采取的措施 为了改善和加强电炉内的热辐射能量和强度，以达到提高电炉的加热升温速 度，可从以下几个方面进行改进： a ) 增加炉膛的辐射面积：现有的热处理炉炉膛搁丝凸台的纵截面辐射面只 有少部分朝向炉内，没有充分考虑辐射面积对提高电炉升温速度的影响。如果在 炉膛内设置多个均匀分布的搁丝凸台，炉壁纵截面搁丝凸台呈波浪形使其辐射表 面增加，炉子的升温速度提升1 5 以上。 b ) 增加炉底热辐射强度与传热效果：目前所使用的外热式坩埚t d 盐浴炉普 遍采用的是炉壁电热元件加热的形式进行加热，炉子升温速度缓慢，炉温不均匀， 浪费能源的同时对t d 盐浴碳化物覆层快速平稳的形成产生较大影响。针对上述 问题，从以下两方面进行改进：1 ) 炉底均匀安置加热元件，针对外热式坩埚t d 盐浴炉，使得坩埚底部受热充分，坩埚整体受热均匀，盐浴升温迅速；2 ) 坩埚 底部与加热元件之间的传热由碳化硅搁板完成。碳化硅制品具有高耐火度与高强 度的优点，其强度较普通粘土砖高数倍，而且碳化硅本身就是一种良好的红外高 辐射材料，热导系数比钢还大，可大大提高电炉加热升温的速度。 c ) 龟热元件的选材对提高电炉升温速度、节能方面具有一定的影响。电热 元件的选材应从抗高温性、电阻率、温度电阻系数、热膨胀系数等方面综合考虑。 下面从电热元件的性能及材料分类出发，结合外热式坩埚t d 盐浴炉自身要求， 选取最佳电热元件材料。 1 常用电热元件的性能 1 ) 具有良好的抗高温性 电热元件的工作温度一般比炉温要高1 0 0 - - 2 0 0 0 c ，要使电热元件在高温长期 正常工作，所用材料必须具有良好的耐热性和一定的高温强度，以保证电热元件 在高温下不熔化，不氧化，不挥发和不发生明显的蠕变变形和塌陷。 2 ) 具有较大的电阻率 在电热元件端电压一定的条件下，电热元件发出的功率与其电阻成反比，而 电热元件的电阻与其材料的电阻率p ( q m m 2 i n ) 成正比。当电热元件发出的功 率和元件的截面尺寸一定时，元件的长度将随材料的电阻率增大而变短，这有利 于电热元件在炉内的布置安装。 3 ) 具有较小的温度电阻系数 电热元件的电阻温度系数a ( 1 o c ) 越大，则电热元件在不同温度下发出功率 的变化也越大，电阻功率就不稳定。因此要求材料的电阻温度系数尽可能小。如 7 武汉理工大学硕士学位论文 果使用电阻温度系数大的材料做电热元件，则应配备调压器，以保证炉子功率的 稳定。 4 ) 具有较小的热膨胀系数 电热元件受热伸长，可用下式计算 l 。= k ( 1 + 1 3t ) ( m ) 式中k ，l , - 电热元件分别在0 0 c 和t o c 的长度( m ) ； t 一电热元件的工作温度( o c ) ：1 3 一电热元件的热膨胀系数( 1 o c ) 对于热膨胀系数较大的元件，在设计安装电热元件时应留有充分的膨胀余地。 5 ) 具有良好的加工性 电热元件材料应易于进行锻轧和拉丝等加工，便于绕制成所要求的形状和具 有良好的焊接性能。 6 ) 电热元件材料成分要尽可能符合我国资源情况，冶炼加工成本要低。 2 常用电热元件的材料分类 电热元件材料可分为金属和非金属两大类。金属电热元件材料主要有铁铬铝 合金、镍铬合金和纯金属钼、钨、铂等。非金属电热元件材料主要有碳化硅、二 硅化钼和石墨等。 1 ) 铁铬铝电热合金 铁铬铝电热合金是我国目前热处理电阻炉应用最广的电热元件材料。其优点 是：铁铬铝电热合金的熔点高，在空气介质中加热后表面生成a l ：0 。的致密保护 膜，膜的熔点比合金基体还高，具有良好的高温抗氧化性能。合金的电阻率大、 电阻温度系数小、密度小，在同样的条件下铁铬铝合金材料的用量比镍铬合金要 少。铁铬铝合金不含镍，含铬量也不高，其成本要比镍铬电热合金低好几倍。 铁铬铝电热合金存在的主要缺点是：高温强度低、塑性差、脆性大，加工拔 丝及绕制较困难。粗丝要求加温绕制。尤其是经高温使用一段时间后晶粒粗大， 脆性增加，容易断裂。其焊接性能也差。在高温下铁铬铝合金与酸性耐火材料及 氧化铁皮发生化学反应，将破坏合金表面的a l 。0 3 保护膜，因此铁铬铝电热元件 必须用高铝质砖。在渗氮气氛中，铁铬铝合金保护膜会被破坏。 铁铬铝合金常用的牌号有i c r l 3 a 1 4 、o c r 2 5 a 1 5 、o c r l 3 a 1 6 m 0 2 等。尽管铁铬 铝合金有很多缺点，但由于其具有良好的抗氧化性能和价格低廉，所以铁铬铝合 金得到广泛的应用。 2 ) 镍铬电热合金 镍铬电热合金的电阻率小，密度较大，熔点较低，使用温度比铁铬铝合金低。 合金的抗渗氮能力较强，但抗渗碳能力较差。镍铬电热合金具有良好的塑性，便 于轧制拉拔成丝或带状，高温强度或焊接性能较好。在空气中加热后，合金表面 生成c r 2 0 3 保护膜，具有良好的抗氧化能力。经长期高温使用后仍不变脆，便于 8 武汉理工大学硕士学位论文 修复。在中、低温热处理电阻炉上，镍铬电热合金的实际使用寿命要比铁铬铝合 金长的多，对实验室的小电阻炉尤为显著。但由于含镍量高，镍铬电热合金成 本很高，故一般尽量少用。 常用的镍铬电热合金有c r 2 0 n i 8 0 和c r l 5 n i 6 0 俩种。c r 2 0 n i 8 0 用于1 0 0 0 0 c 以下的中温电阻炉，c r l 5 n i 6 0 常用于低温电阻炉。 3 ) 纯金属电热材料 钼、钨的熔点很高( 为别为2 6 1 0 0 和3 3 7 0 0 c ) ，塑性很好，可做成丝状、板 片状和圆筒状的电热元件，其中以钼用的最多。这两种纯金属易氧化，需在氢气、 氨分解气或真空中使用。 钼在空气中使用时，温度高于6 0 0 0 c 就会挥发，在高温下长期使用工作后钼 的晶粒会变粗，性质变脆。铂的熔点为1 7 6 9 0 c ，在高温空气中不被氧化，可用作 1 2 0 0 - - 1 6 0 0 高温电热元件。但铂不能用于还原性气氛，因铂会与氢和碳氢化合 物发生反应。 这些纯金属的电阻率较小，而电阻温度系数却很大。因此用纯金属作电热元 件，必须配备调压器，以适应电阻炉的功率要求。 4 ) 碳化硅电热元件 碳化硅电热元件是以焦炭与石英砂作原料，经焙烧后得碳化硅生料，在经沥 青、焦油等粘结剂，经挤压加工成型，然后在高温下烧制而成。碳化硅棒的电阻 温度系数很大，很脆，安装时应尽量小心。 综合考虑电热元件选用o c r 2 5 a 1 5 。 d ) 红外辐射材料的应用 为了改善和加强电炉内的热辐射能量和强度，以达到提升电炉的加热升温速 度，近年来热处理工作者和有关部门对电炉内壁或电热元件上涂覆远红外材料的 技术进行了探讨。即涂覆一层高辐射涂料( s i c 、f e ：0 3 、z r 2 0 、c o ：0 。、c r 籼、b n 等金属氧化物、碳化物、硼化物) ，炉内辐射强度可显著提高，一般均可提高9 1 6 ，从而提高了电炉的升温速度，达到了节能目的。但是，由于各种辐射涂料 存在辐射能量的选择以及涂料在使用后产生涂层龟裂剥离和老化的问题，故远红 外涂料在使用时应注意。 由辐射传热基本定律和计算公式可知，提高辐射体表面辐射系数，将有利于 辐射传热的强化【2 3 。3 1 1 。对于以辐射传热为主的工业炉来说，提高炉内参与辐射传 热的物体表面辐射系数，将有效地强化炉内传热过程，达到节能、增产与提高产 品质量的目的。根据传热理论，物件在高温下的辐射能量绝大多数集中在1 - - - 5 9 m 波段。对于炉壁来说，为了强化炉内热交换，则要求在1 - 5 9 m 波段的辐射率越 高越好。但是，耐火材料( 包括耐火砖、耐火纤维等) 炉壁在l - 5 肛m 的辐射率很 9 武汉理工大学硕士学位论文 低，约为0 5 5 。使得炉内热交换率很低。研究表明，炉壁喷涂辐射率为0 9 0 的节 能涂料，可提高耐火材料的辐射率约0 2 5 ，提高了炉的辐射加热能力，强化了炉 内热交换的目的，其潜在的节能效果为1 4 以上。炉衬表面红外辐射涂层具有保 护炉衬的作用，达到延长炉子使用寿命的目的。 需要注意的是；在保证辐射性最佳情况下，涂层厚度一般在0 2 - - - 0 4 9 m ( 特 殊情况下也可达1 一- - 2 9 m ) ，过厚或过薄将会降低其辐射率，影响节能效果。 早期的红外材料，( 以氧化铁或碳化硅为主) 存在两个缺点，一是温度高了， 热发射率降低，中温需要的低波长区段( 2 5 一 - 5 1 a m ) ，热发射率更低。这样的材 料到中温红外作用不大。二是用传统的技术，红外涂料与搁丝凸台的粘结不牢， 未到中温涂料就已脱落。近年来，英、美、日等国的红外涂料( 或称高发射率陶 瓷材料) 有了突破性的进展，不仅可用于8 0 0 - - 1 0 0 0 0 c 的中温，甚至入大气层宇 宙飞船的表皮，在2 0 0 0 - - - 2 5 0 0 0 c 的高温下也采用此类涂料。南航材料系研制的由 多种氧化物烧结、起了参杂作用而大幅度提高热发射率的红外涂料，足够在中温 起红外辐射作用。而采用热化学法制备的、金属基体上的红外涂层，与基体有着 很强的粘结力，确保1 2 0 0 0 c 不脱落。 本文采用在波浪形搁丝凸台表面、电热元件及炉底碳化硅传热板表面涂覆以 c r ：o 。及f e 。0 3 为主要材质的红外辐射陶瓷涂层，以达到提高电炉加热升温速度的目 的。 2 2 2 降低炉壁热损失采取的措施 a ) 适当增加炉墙厚度，由于保温层较耐火层小，所以增加保温层的厚度可 以获得显著的节能效果。但是也不能增加太多，否则会使炉子笨重，蓄热增大， 筑炉投资和炉衬维修费用也随之增大，因之需综合考虑其节能效果和经济效益。 b ) 在炉子工作允许的条件下，尽量采用重量轻( 密度p 值小) ，热导率和比 热容( c ) 小的耐火保温材料。这样，不但增大了各层炉衬的热阻，而且使炉子 的蓄热小( 因c 、p 值小) ，升温快，这是因为炉子的空炉升温时间与耐火层的c 、 p 、九三者乘积的平方根成正比( c 础= b ，称为炉衬的蓄热系数) 【3 2 - 4 0 。炉 子蓄热少，升温快对周期作业炉的节能尤为重要。 轻质高铝砖具有重量轻、热导率和比热容小的特性，其强度较普通粘土砖高 数倍，炉膛耐火层选用密度为o 8 眺m 3 的轻质高铝砖，可减薄耐火砖层的厚度 这样不仅减轻了耐火砖层的质量和总蓄热量，而且可加厚炉衬保温层的厚度，进 一步改善电炉的保温性能。 硅酸铝耐火纤维材料具有优良绝热性能，硅酸铝耐火纤维材料在常用的保温 材料中，不仅重量轻( 总蓄热量少) ，而且无论在高温低温下，它的导热系数都 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 是最低的，及具有良好的绝缘保温性能。炉衬保温层使用硅酸铝耐火纤维材料， 更大程度地降低炉壁的热损失。 因此，在中温电阻炉上，目前推荐用体积密度为0 6 9 c m 3 轻质砖或泡沫砖， 对于高温电阻炉由于温度高，推荐使用0 8 9 c m 3 的轻质高铝砖砌耐火层。而保温 层采用保温性能更好的膨胀珍珠岩和硅酸铝耐火纤维等。 c ) 炉体结构采用大尺寸结构拼装，缝隙少，热损失减少8 左右，结构简单， 制造维修方便。 2 3 炉盖密封性问题及机械化装置 2 3 1 炉盖液压升降机构 工业用外热式坩埚t d 盐浴炉结构尺寸较大，且进行热处理零件的批量较大， 炉盖采用液压自动升降机构【4 1 1 将大大提高生产效率、降低劳动强度。 2 3 2 炉盖的密封 炉子密封的目的是保持炉内压力，避免空气进入，减少空气对盐浴的氧化。 为保证炉体密封，首先需保证炉壳焊缝质量，其次是在固定的法兰联结处需用浸 水玻璃的石棉绳充填，然后压紧。炉口的密封可按照不同的炉型采用不同的方式。 罩式炉可采用沙封、油封、或沙油封结构。井式炉采取石墨盘根压紧式结构【4 2 1 。 2 4 盐浴搅拌装置 t d 法处理过程中，浴盐有时产生偏析、流动性不足的现象，对快速形成致 密均匀的碳化物覆层有较大影响。对如何减少盐浴偏析、增加盐浴流动性的探讨 与研究是很有必要的。查阅相关文献，结合外热式坩埚t d 盐浴炉自身因素综合 考虑，本文采用安装盐浴搅拌装置防止盐浴偏析、增加盐浴流动性。 2 5 本章小结 本章主要针对第一章提出的关于现有t d 处理设备的一些缺陷，如盐浴氧化、 电阻炉节能、盐浴偏析等方面，查阅相关资料，专利，对以上方面作了进一步的 研究。尤其在节能与盐浴偏析方面，从电阻炉的结构，炉衬材料的选取，红外辐 射材料的应用等多方面进行 了基础。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 3 1 引言 第3 章盐浴炉用金属材料的研究 硼砂熔点7 4 0 ，分解温度高达1 5 7 3 ，其稳定性好，无公害，而且熔融硼 砂具有溶解金属氧化物的能力，使金属表面洁净。但是t d 法处理是在高温下进 行( 8 5 0 1 0 5 0 ) ，硼砂盐浴对坩埚及夹具腐蚀极为严重，特别当共渗温度达 1 0 0 0 ，腐蚀更为显著。实践证明，一般夹具在两炉后，在其盐浴面处即被腐蚀 断，而坩埚用了八炉以后即出现穿透现象。为此，选择较佳的耐蚀、抗高温氧化 材料制作坩埚与夹具【4 3 】是必须予以考虑的重要问题之一。本文以提高坩埚及夹 具寿命为出发点，研究各种不锈钢在t d 盐浴中的耐蚀性与抗氧化性，总结影响 其性能的因素。 3 2 实验过程及数据 3 2 1 试样及基盐 为避免试样在实验过程中产生覆层，又要使盐浴主要成分接近t d 处理时的成 分，选取硼砂浴配方( 质量分数) ：氟化钠，1 2 5 ；脱水硼砂，8 7 5 。材料中对 高温耐蚀性及高温抗氧化性贡献最大的是n i 、c r 元素。所选材料的c r 含量为1 5 2 5 ，n i 含量为9 - - 8 0 ，几乎包括了主要的耐热耐蚀不锈钢，实验用耐热不锈钢 材料及其编号为o c r l 8 n i 9 ( 1 5 5 ) ，1 c r l 8 n i 9 t i ( 2 5 5 ) ，o c r l 7 n i1 2 m 0 2 ( 3 5 5 ) ，o c r 2 5 n i 2 0 ( 4 5 5 ) ，c r 2 0 n i 8 0 ( 5 5 5 ) ，c r 2 0 n i 3 5 ( 6 5 5 ) ，c r l 5 n i 6 0 ( 7 5 5 ) ，o o c r l7 n i1 4 m 0 2 ( 8 5 5 ) 。 3 2 2 腐蚀试验 腐蚀试验温度分别为8 5 0 、9 1 0 和9 6 0 ，时间分别为2 、4 和6 h ，环境分别 为：距离硼砂浴液面以下1 5 2 5 硼处及硼砂浴液底以上1 5 2 5 m m 处，实验数据 见表3 - 1 、表3 2 和表3 3 。 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 表3 - 1 在9 6 0 c 条件下液面处与液底处腐蚀6 小时试验数据 t a b l e3 1d a t ao f b e l o wl i q u i ds u r f a c ea n db o s o ml i q u i di nc o r r o s i o na t9 6 0 c 表3 - 2 在液面处9 6 0 c 条件下腐蚀不同时间试验数据 t a b l e3 - 2d a t ao f c o r r o s i o na t9 6 0 co nl i q u i ds u r f a c ea td i f f e r e n tt i m e 材料 0 c r l 8 n i 9l c r l8 n i 9 t io c r l 7 n i l 2 m 0 2 腐蚀时间( h ) 246 24624 6 腐蚀前质量m g 7 8 5 3 47 8 6 7 97 9 6 6 61 0 7 4 3 69 7 5 2 89 6 5 1 24 8 5 0 34 9 2 5 94 8 4 3 8 腐蚀后质量m g 7 7 4 2 37 5 6 8 27 4 3 3 21 0 6 2 0 09 4 6 8 99 1 7 1 44 7 8 6 14 7 1 6 34 5 7 2 9 质量差i l l g 1 1 1 12 9 9 75 3 3 41 2 3 62 8 3 94 7 9 86 4 22 0 9 62 7 0 9 试样表面积c m 2 8 4 4 0 18 4 9 2 8 8 8 5 4 69 9 5 2 09 5 2 3 99 3 5 9 73 4 6 8 03 5 2 6 33 4 6 3 4 腐蚀量m g c m ? 1 3 23 5 36 0 21 2 42 9 85 1 31 8 55 9 4 7 8 2 0 c r 2 5 n i 2 0c r 2 0 n i 8 0 腐蚀时间( h ) 246246 腐蚀前质量m g 6 6 1 4 07 7 1 5 86 9 8 5 2 5 0 1 84 3 0 84 5 9 0 腐蚀后质量m g 6 5 2 0 27 4 6 3 36 7 0 3 04 7 6 63 7 3 43 8 5 8 质量差m g 9 3 82 5 2 52 8 2 2