第五章材料加热炉炉用材料及选用

1、第五章第五章 材料加热炉炉用材料及选用材料加热炉炉用材料及选用u耐火材料u保温材料u耐热构件用金属材料u电热转化用电热材料*2：耐火材料、保温材料、耐热金属材料、耐火材料、保温材料、耐热金属材料、电热转化用电热材料电热转化用电热材料各种炉用材料的性能和用途各种炉用材料的性能和用途通过本次课的学习，在了解各种炉用材料通过本次课的学习，在了解各种炉用材料性能特点的基础上，能正确的选用。性能特点的基础上，能正确的选用。一、耐火材料一、耐火材料普通耐火材料15801770高级耐火材料17702000特级耐火材料高于2000定义：定义：凡是能够抵抗高温，并能承受高温物理和化凡是能够抵抗高温，并能承受高温

2、物理和化学负荷，耐火度大于学负荷，耐火度大于1580的材料的材料，称为耐火材料。，称为耐火材料。从材料分：从材料分：硅质、氧化铝质、镁质、硅酸铝质、铝质、橄榄硅质、氧化铝质、镁质、硅酸铝质、铝质、橄榄 石质、白云石质、箐青石质耐火材料。石质、白云石质、箐青石质耐火材料。从形态分：从形态分：耐火砖、耐火捣打料、耐火纤维、耐火混凝土。耐火砖、耐火捣打料、耐火纤维、耐火混凝土。从密度分：从密度分：重质耐火材料、轻质耐火材料。重质耐火材料、轻质耐火材料。从耐火度分：从耐火度分：*4 耐火材料的性能可以分为耐火材料的性能可以分为物理性能物理性能和和工作性能工作性能。体积密度，真比重，气孔率，吸水率，体积

3、密度，真比重，气孔率，吸水率， 透气性，耐压强度，热膨胀性热性，透气性，耐压强度，热膨胀性热性， 导电性，热容量等。导电性，热容量等。耐火度，高温结构强度，化学稳定性，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。体积稳定性，耐急冷急热性等。一、耐火材料一、耐火材料*5耐火材料的性能耐火材料的性能1 1耐火度耐火度 耐火度是耐火材料抵抗高温作用的性能，表示耐火度是耐火材料抵抗高温作用的性能，表示材料受热后软化到一定程度时的温度。材料受热后软化到一定程度时的温度。u不是耐火材料的熔点；u不代表耐火材料最高使用温度和实际使用温度；u耐火材料的使用温度要比耐火度低得多，如下表：砖的

4、名称砖的名称粘土砖粘土砖轻质粘土砖轻质粘土砖高铝砖高铝砖硅砖硅砖镁砖镁砖耐火度（耐火度（）使用温度（使用温度（）1610173013001400167017101150140017501790165016701690171016001650200016501670耐火度的耐火度的测量方法测量方法用耐火锥软倒试验方法测定6-16-1 测定耐火度耐火锥软到情况示意图(a)未软倒的原始态 (b)在一定耐火温度下的软倒情况测定时采用一定尺寸被测耐火材料的三角形椎体，在规定的加热条件下，锥顶因受温度及自身重量的影响而弯倒，测量锥顶刚接触到托盘底平面使得温度即为该材料的耐火度。1、主要取决于其主要成分和易

5、熔杂质（如：FeO和Na2O）等含量；2、耐火度是耐火材料研制时需要检测的重要技术指标。反映高温结构强度一般用荷重软化点来评定荷 重 软 化 点 是 指 在 一 定 压 力(196kPa，轻质材料为98kPa)条件下，以一定的升温速度加热，测出样品开始变形的温度和压缩变形达4%或40%的温度。前者叫荷重软化开始点，后者叫荷重变形4%或40%的变形温度。耐火材料的性能耐火材料的性能2 2高温结构强度高温结构强度一般情况下耐火材料的使用温度应低于荷重软化点。一般情况下耐火材料的使用温度应低于荷重软化点。 如：如：NZ-40粘土砖的耐火度为粘土砖的耐火度为1730，而荷重软化点，而荷重软化点只有只有

6、1350，故他的最高使用温度不超过，故他的最高使用温度不超过1350。反映抵抗温度急剧变化而不破坏的性能，一般用急冷急热次数来评定1、不同材质和结构的耐火材料测定热震性时试验条件不同，已有相关的行业标准给出详细的规定。2、测定方法是将试样加热至T维持40min后再放到流动的冷水中冷却3min(或放在空气中冷却5min)，重复加热冷却，直到试样失重20%(或破碎)的次数，即为耐急冷急热性指标。如：轻质耐火材料制品的测定，是将标准砖加热到1000，在静止的空气中冷却，反复进行，直至砖体的总的重量损失20%的加热冷却次数。3、在电炉温度变化大的部位，应选用耐急冷急热性高的耐火材料。耐火材料的性能耐火

7、材料的性能3.3. 耐急冷急热性（耐热震性）耐急冷急热性（耐热震性）砖的种类砖的种类粘土砖粘土砖硅砖硅砖镁砖镁砖高铝砖高铝砖次数次数525142356*94.4.高温体积稳定性高温体积稳定性 耐火材料耐火材料(砖砖)在高温下长期使用时，其相成分会继续变在高温下长期使用时，其相成分会继续变化，产生再结晶和进一步烧结现象，因此耐火砖体积会发生化，产生再结晶和进一步烧结现象，因此耐火砖体积会发生收缩或膨胀。这种收缩收缩或膨胀。这种收缩(或膨胀或膨胀)是不可逆的，称残余收缩是不可逆的，称残余收缩(或或膨胀膨胀)，又称重烧收缩，又称重烧收缩(或膨胀或膨胀)。若体积变化过大，会使炉体。若体积变化过大，会使

8、炉体变形，砌体强度和寿命受到影响，严重时会造成砌体损坏。变形，砌体强度和寿命受到影响，严重时会造成砌体损坏。 耐火材料的性能耐火材料的性能 特别在砌筑拱顶时更应注意不要采用残余变形过大的耐特别在砌筑拱顶时更应注意不要采用残余变形过大的耐火砖。一般要求各种耐火制品的残余胀缩不超过火砖。一般要求各种耐火制品的残余胀缩不超过。粘土砖和高铝砖的重烧性收缩为粘土砖和高铝砖的重烧性收缩为，硅砖的重，硅砖的重烧性膨胀为烧性膨胀为*10 5 5高温化学稳定性高温化学稳定性 是指耐火材料在高温下抵抗熔渣、熔盐、电热体、是指耐火材料在高温下抵抗熔渣、熔盐、电热体、炉内气氛等的化学作用和物理作用的性能。炉内气氛等的

9、化学作用和物理作用的性能。耐火材料的性能耐火材料的性能u对于冶金用耐火材料常用抗渣性来评定。u粘土砖和高铝砖对弱酸性和弱碱性溶渣具有一定抗蚀作用。u硅砖只能抗酸性熔渣，镁砖只能抗碱性熔渣的作用。u对铁铬电热体要用高铝砖作为搁丝砖。u对于特殊气氛加热炉，应考虑炉衬耐火材料与炉气的化学反应。*11 6 6致密性致密性 一般以体积密度、气孔率、真比重来表示。耐一般以体积密度、气孔率、真比重来表示。耐火材料在满足性能要求时，应尽量选用体积密度较火材料在满足性能要求时，应尽量选用体积密度较小的，以减少蓄热和增加保温效果、减少炉体质量，小的，以减少蓄热和增加保温效果、减少炉体质量，降低能耗。降低能耗。耐火

10、材料的性能耐火材料的性能*12 7 7导电性导电性 耐火材料一般在低温下是绝缘体，但到高温耐火材料一般在低温下是绝缘体，但到高温时，在耐火材料中产生液相，因为电离，使之有时，在耐火材料中产生液相，因为电离，使之有一定导电性，故不能采用高温下导电大的材料作一定导电性，故不能采用高温下导电大的材料作为炉衬和绝缘材料。为炉衬和绝缘材料。耐火材料的性能耐火材料的性能8 8其它其它如导热系数、热膨胀系数、耐压强度等。如导热系数、热膨胀系数、耐压强度等。*13热处理炉常用耐火材料有热处理炉常用耐火材料有等。等。 *14原料原料：主要是耐火粘土和高岭土：主要是耐火粘土和高岭土主要成分主要成分：30%-463

11、0%-46A1A12 2，50%65%SiO2，其余为各，其余为各 种金属氧化物等。种金属氧化物等。 特点特点：属弱酸性耐火材料。：属弱酸性耐火材料。 耐急冷急热性好；耐急冷急热性好； 荷重软化开始点在荷重软化开始点在12501300以上。软化开始以上。软化开始 和终了温度间隔大，最高温度为和终了温度间隔大，最高温度为1350。 在高碳气容中易受在高碳气容中易受CO、H2、的作用而损坏，故不、的作用而损坏，故不 能作为内衬。铁铬铝电热体合金与粘土砖有化学能作为内衬。铁铬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。反应，使用粘土砖会使铁铬铝合金受腐蚀。使用温度使用温度：11

12、00-12001100-1200常用耐火材料常用耐火材料*15用途用途：是最常用的耐火材料，是最常用的耐火材料，广泛制成耐火砖作为电炉炉衬。 可用于砌筑炉顶、炉底、炉墙及燃烧室等。可用于砌筑炉顶、炉底、炉墙及燃烧室等。*16原料原料：高铝矾土：高铝矾土 主要化学成分主要化学成分：含：含Al2O3 48%以上。以上。特点特点：荷重软化点开始点在：荷重软化点开始点在14201500以上。使用温度为以上。使用温度为 14001600， 高温化学稳定性好。高温化学稳定性好。 耐急冷热性较差。耐急冷热性较差。 价格较高，广泛用于冶金工业。电极盐溶炉常用高价格较高，广泛用于冶金工业。电极盐溶炉常用高 铝砖

13、砌筑。铝砖砌筑。使用温度使用温度：1500 1500 左右左右用途用途：用作电炉的炉衬。电热体搁丝砖和套管。：用作电炉的炉衬。电热体搁丝砖和套管。 多用于高温热处理炉及电阻丝或电阻带的搁砖、热电偶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。导管、马弗炉的炉芯等。 *173Al2O3含量大于含量大于98%的高级耐火材料。的高级耐火材料。电熔刚玉砖电熔刚玉砖 原料：电熔刚玉砂原料：电熔刚玉砂 特点：体积密度为特点：体积密度为3.1-3.4g/cm3，耐急冷点热性好，使用温，耐急冷点热性好，使用温 度为度为18001850，硬度大，耐磨性好，可做高温炉，硬度大，耐磨性好，

14、可做高温炉 炉管等。炉管等。氧化铝刚玉制品氧化铝刚玉制品原料：工业氧化铝粉原料：工业氧化铝粉特点：高温下，绝缘性好，不易于电热体发生化学反应，抗特点：高温下，绝缘性好，不易于电热体发生化学反应，抗 还原气氛作用强。纯氧化铝刚玉制品在高温下还原气氛作用强。纯氧化铝刚玉制品在高温下H2不能不能 穿透，使用温度为穿透，使用温度为17501850。用途：高温炉炉衬、炉管、烧成高级耐火制品和特种陶瓷、用途：高温炉炉衬、炉管、烧成高级耐火制品和特种陶瓷、 各种热电偶保护套管等。各种热电偶保护套管等。原料：细粒或粉状碳化硅特点：用粘土为粘结剂的SiC制品，含SiC 3587%。SiO2 1050%。Al2O

15、3 330%，荷重软化开始温度为14001620。 经2300溶制得的再结晶SiC制品，含SiC 99%，体积密度2.55 g/cm3具有较高的导热系数，耐急冷急热性高，高温化学稳定性和耐磨性均好，但价格贵，在9001100范围内易氧化，制品愈致密，其抗氧化性愈好。用途：常用作炉衬，马弗炉壁，耐火加热板，匣体、推板窑中的移进板及电热元件（SiC棒）等。4碳化硅耐火制品碳化硅耐火制品SiO2含量在93%以上的酸性耐火材料原料：石英岩特点：最高使用温度16001650，真比重愈小愈好（说明石英转化完全，使用时产生的残余膨胀也小）。一般在2.362.40左右。但硅砖耐热震性差。具有重烧膨胀特点，为酸

16、性耐火材料，不能在碱性介质中使用。用途：做玻璃窑炉的炉衬，不适宜砌筑间歇式电炉。5硅砖硅砖 含MgO 8085%的碱性耐火材料，分烧结镁砖和化学结合镁砖。原料：细粒或粉状碳化硅特点：使用温度为16001650,耐急冷急热性差。用途：碱性平炉或有色金属冶炼炉的炉衬。 注意：镁砖与粘土砖，高铝砖及硅在高温下都有不同程度的反应。6 熔点较高的氧化物，熔点在20003000，如氧化铍、CaO、氧化钍、TiO2、二氧化锆、及复合氧化物（如莫来石、镁尖晶石、镁橄榄石、锆石等常被制成耐火砖和捣料砌筑炉衬）。 另外，还有一些高熔点的碳化物、硼化物、氮化物等，目前使用温度最高的耐火材料就是高熔点的碳材料，在25

17、00以上，但必须在保护气氛或真空下使用。7*23莫来石莫来石返回*25砖的种类砖的种类碱性溶剂碱性溶剂酸性溶剂酸性溶剂氧化气氛氧化气氛还原气氛还原气氛粘土砖粘土砖有作用。其损坏有作用。其损坏速度根据化学成速度根据化学成分、颗粒度、气分、颗粒度、气孔率而定孔率而定作用微弱作用微弱不损坏不损坏1400以下抵抗较好，以下抵抗较好，因砖中因砖中Fe2O3的影响，的影响，CO在在400500时损时损坏耐火砖。坏耐火砖。高铝砖高铝砖抵抗较好抵抗较好抵抗尚好抵抗尚好不损坏不损坏1400以下以下较较好，好， 硅砖硅砖作用激烈作用激烈抵抗较好，与抵抗较好，与氧化物作用激氧化物作用激烈烈不损坏不损坏1050以下以

18、下良良好，好，温度温度到到900，H H2 2与与SiOSiO2 2作作用。用。碳化硅砖碳化硅砖与与FeO作用激作用激烈，于烈，于1300开始反应。与开始反应。与MgO于于16000开始反应，与开始反应，与CaO于于1000开始反应。开始反应。于于1200开始开始反应，抵抗液反应，抵抗液态和气态酸性态和气态酸性效果良好效果良好损坏损坏抵抗较好抵抗较好熔剂和气氛对耐火砖的影晌熔剂和气氛对耐火砖的影晌*26 在电炉中，炉墙蓄热和散热很大，为减小热损失，在在电炉中，炉墙蓄热和散热很大，为减小热损失，在筑炉中尽量使用轻质耐火材料。筑炉中尽量使用轻质耐火材料。轻质耐火材料的制造方法有三种：轻质耐火材料的

19、制造方法有三种：烧掉加入法烧掉加入法泡沫法：其制品泡沫法：其制品体积体积=0.30.8 g/cm3 如泡沫氧化铝砖、如泡沫氧化铝砖、泡沫高铝砖。泡沫高铝砖。化学法：其制品化学法：其制品体积体积=0.30.4g/cm3轻质耐火砖的特点：机械强度低、耐磨性能差、抗化学腐轻质耐火砖的特点：机械强度低、耐磨性能差、抗化学腐蚀性较差蚀性较差常用制品有：常用制品有：轻质粘土砖：轻质粘土砖：AlAl2 2O O3 3含量小于含量小于48%48%，体积体积=0.41.3 =0.41.3 g/cmg/cm3 3，导导热系数小，绝缘性好，热稳定性差、用作炉温低于热系数小，绝缘性好，热稳定性差、用作炉温低于1200

20、1200电电阻炉的炉衬及外层隔绝层。阻炉的炉衬及外层隔绝层。轻质高铝砖：轻质高铝砖：AlAl2 2O O3 3含量大于含量大于48%48%，体积体积=0.41.0 =0.41.0 g/cmg/cm3 3，用用于温度低于于温度低于13501350的窑炉炉衬及隔热层。的窑炉炉衬及隔热层。氧化铝泡沫砖氧化铝泡沫砖（以工业氧化铝为原料，加入发泡剂烧制而（以工业氧化铝为原料，加入发泡剂烧制而成）：成）：AlAl2 2O O3 390%90%，体积体积=0.40.5 =0.40.5 g/cmg/cm3 3，导热系数小，绝导热系数小，绝缘性好，能抗还原性气氛，用作电炉的隔热层。缘性好，能抗还原性气氛，用作电

21、炉的隔热层。氧化铝空气球制品：氧化铝空气球制品：AlAl2 2O O3 395%95%，用压缩空气喷吹法制成。，用压缩空气喷吹法制成。导热系数小，耐火度较高。强度大，收缩性小，耐磨性强，导热系数小，耐火度较高。强度大，收缩性小，耐磨性强，能抗还原气氛作用，用作炉温能抗还原气氛作用，用作炉温17001700以下电炉炉衬及工件的以下电炉炉衬及工件的托座。托座。耐火纤维：耐火纤维：重量轻、耐高温、导热系数低、比热容小、蓄热重量轻、耐高温、导热系数低、比热容小、蓄热少、耐热冲击。是一种柔性材料，据原料不同，有硅酸铝少、耐热冲击。是一种柔性材料，据原料不同，有硅酸铝（一般加热炉使用最多）、石英、氧化铝、

22、和石墨（多用于（一般加热炉使用最多）、石英、氧化铝、和石墨（多用于高温烧结炉、高温热压炉、高温真空炉）等耐火纤维。高温烧结炉、高温热压炉、高温真空炉）等耐火纤维。二、保温材料二、保温材料主要性能热导率小（0.25w/ m m2 2. . ) ) ，体积密度小，体积比热容小的材料，并具有一定的耐高温性能主要能承担保温角色常用保温材料l硅藻土及硅藻土砖：硅藻土及硅藻土砖：主成分为Al2O3，及少量粘土杂质，最高使用温度为900950l蛭石及制品：蛭石及制品：俗称黑云母或金云母，最高使用温度1000，用作填充隔热材料。l膨胀珍珠岩及制品：膨胀珍珠岩及制品：是由火山喷出的酸性岩浆急剧冷却得，SiO2为

23、70%，熔岩经破碎、加热膨胀为空心小球，最高使用温度达1000。绝热性优于硅藻土，是轻质高效能保温材料，目前在热处理炉中被大量使用。l保温纤维保温纤维*30*31*32*33三、加热炉耐热构件用金属材料三、加热炉耐热构件用金属材料加热炉加热炉用构件用构件常温炉体构件和机械构件，如：炉壳、炉架、炉用机械传动件等耐热构件，如：高温用坩埚、炉罐、马弗、料盘、炉底板、隔热屏、风扇、导轨、炉辊、传送带、螺线输送器等加热炉在高温环境中使用的金属材料要求有足够的高温强度和高温加热环境适应性。一般采用的材料有高熔点金属和耐热钢早期炉用耐热钢多为铬镍不锈钢和铬镍耐热钢，如：1Cr18Ni9Ti、Cr25Ni20

24、Si2(简称25-20钢)。这些钢含镍量较高，60年代后期普遍采用我国自行研制的Cr-Mn-N钢、Cr-Mn-N-Si钢、Cr-Mn-N-Si稀土钢。举例钼、钨、铂、钽u高铬镍合金钢u铬锰氮耐热钢钢号钢号允许工作温度允许工作温度用途用途钢号钢号允许工作温度允许工作温度用途用途Cr3SiCr5Mo15Al3MoWTiCr6SiMo4Cr9Si2Cr13Cr3Si2Cr20Si3Cr17Al4SiCr24Al2SiCr25Cr25Ti600750650750600700800800900850950850950850950100011001000105090010009001000坩埚、炉底板、导

25、轨、料盘等4Cr4Ni14W2MoCr25Si21Cr18Ni9Ti3Cr18Ni25Si21Cr25Ni20Si2Cr23Ni18Cr25Ni12Cr25Ni20Cr20Mn9Si2NCr24Ni7NMn19Al6Cr5SiMoCr28Ni48W8509509501000950100010001050120010001050110010501200950105010501100105011001200炉 罐 、 风扇输送带、炉 底 板 、轴类等Cr17Mn13NCr20Mn9Si2N95010509501050炉罐、风扇、输送带、炉底板、轴类等炉用耐热钢使用温度范围和用途炉用耐热钢使用温度范

26、围和用途炉用耐热铸钢使用温度范围和应用举例炉用耐热铸钢使用温度范围和应用举例名称钢号最高工作温度, 用途铬锰氮钢铬锰氮镍钢铬硅钢ZG30Cr18Mn12Si2NZG20Cr20Mn19Ni2Si2NZG40Cr9Si210001050850炉底板、渗碳罐、料框、回转炉罐、传送带、导轨、料盘、支承件、风扇、支架、吊架等盐炉坩埚、传送带、风扇等坩埚、炉门、炉口、炉底支座等四、加热炉用电热材料四、加热炉用电热材料明确以下定义：明确以下定义：u电阻加热电阻加热：是利用导体自身电阻而通电产生的热量：是利用导体自身电阻而通电产生的热量加热工件。加热工件。u 加热体或加热元件加热体或加热元件：指能利用通电产

27、生热量的材料，：指能利用通电产生热量的材料，如导体材料、工件本身、加热介质（如盐浴炉）如导体材料、工件本身、加热介质（如盐浴炉）u电阻加热炉电阻加热炉：用电热材料加热炉膛和工件的电阻加：用电热材料加热炉膛和工件的电阻加热炉。热炉。u马弗炉马弗炉：热源与加热空间（炉膛）用罩、板隔开的：热源与加热空间（炉膛）用罩、板隔开的加热炉。加热炉。u敞焰炉敞焰炉：火焰、燃烧炉气与被加热工件接触，即热：火焰、燃烧炉气与被加热工件接触，即热源与加热工件之间无任何阻挡的加热炉。源与加热工件之间无任何阻挡的加热炉。*37敞焰炉敞焰炉马弗炉马弗炉电电热热材材料料的的种种类类金属金属材料材料电热合金电热合金（应用比较广泛，主要用于中低温电阻炉）镍铬合金（1100）镍铬铁合金（1000）铁铬铝合金（1400）因含贵重镍，成本高，正逐渐被铁铬铝合金取代高熔点金属高熔点金属（熔点高，蒸汽压低，可加工成丝、带或筒，用于炉温高于1000的高温炉）钼（1650）钨（2200）钽（2000）铂（1600）：可在低于1500空气中使用