合肥庐江县城池工业炉厂
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耐火材料在热处理炉上的使用

关键词:耐火材料,热处理炉,抗渗碳砖,透气砖,碳化硅砖,耐热瓷,粘土砖,搁砖,气氛炉,真空炉,催化剂,炭黑,露点,炉气,渗碳,

耐火材料在热处理炉上的使用
  对于热处理炉,应考虑炉内气氛对耐火材料的热化学侵蚀作用以及耐火材料对炉内气氛的影响。
  在常用的耐火材料中均含有Fe2O3,这是一种十分引人注意的氧化物。耐火材料中含有的这种不稳定氧化物超过一定量时,是不宜用于控制气氛炉和真空炉。因为Fe2O3会与炉气中的CO和H2发生如下反应,即

Fe2O3+3CO = 2Fe + 3C02
Fe203 + 3H2 = 2Fe + 3H20
  而经还原生成的铁,又是如下反应的催化剂,即
2C0=C02 + C
  因而加速了CO的分解和炭黑的沉积过程。
  上述反应结果,会导致:
  1、 使开炉时炉气碳势上升缓慢,给炉内碳势控 制带来了困难,并且会产生大量炭黑沉积;
  2、铁的生成,破坏了砖体的组织结构和砖内颗 粒间的牢固结合,使砖体变得疏松,甚至碎裂;
  3、Fe203被H2还原而生成H2O,使炉内露点上升,工件被氧化,达不到少无氧化加热的效果。
  另外,实践还表明:当Fe203含量较高的砖用于氮基气氛炉时,砖内的氧会大量进入炉气,使炉气由原来的弱还原性变为氧化性,结果达不到工件光亮淬火加热的目的。
  由此可见,用于控制气氛等要求较高的炉子,其 耐火材料中的不稳定氧化物的含量,应给予限制。一般来说,对于渗碳气氛,砖内Fe203的质量分数应控制在1 %以内;对于以氮气为基体的控制气氛炉,砖内Fe203的质量分数最好控制在0.5%以下。
  (1) 高铝搁砖为了搁放、吊挂和相互隔开电热元件所使用的各种搁砖、硅砖、隔板砖、引出管等, 均是电阻炉内较易损坏的耐火材料,这是因为这些砖直接接触电热元件,承受温度高,温度急变大,由于突出炉墙,容易遭到碰撞而被拆断。如在渗碳炉内或含有可控气氛炉内使用,容易造成积炭现象(碳渗入砖内或是炉内挂有炭丝),引起短路。因此,对这 些材料要求耐火度高、高温结构强度大以及烧结良好。
  一般要求高铝搁砖Fe203的质量分数不超过 1.5% 。氧化铁属于碱性,很容易与石英作用而生成硅酸铁〔其熔点为1100℃),在砖上形成黑点。被侵蚀之处逐步蔓延,形成更大的熔洞和渣蚀,以致引起电热元件的短路。氧化铁在450 ℃?550℃时,又是促进可控气氛屮一氧化碳析出炭黑反应的催化剂。 炭黑沉积在砖中后使体积胀大,而导致砌体的强度下降和早期破坏。
  采用高铝砖即可满足电阻炉用搁砖的要求,但最好不要采用耐火粘土砖。
  (2) 抗渗碳砖普通耐火粘土砖的抗渗碳性气 氛能力差。其主要原因是砖中含有较多的Fe203,它 与可控气氛中的CO和H2在高温下发生如下化学 反应:
3Fe2O3 + CO = 2Fe3O4+CO2 
Fe304 + C0 = 3Fe0 + CO2 
FeO + CO = Fe + CO2 
 3 Fe2O3+ H2 = 2 Fe304 + H2O
3Fe+C = Fe3C
2CO = C + CO2 
  从以上反应式可以看出,由于Fe203不断还原,炉气中的水和CO2含量增加,露点上升,影响炉内气氛的稳定性,延长炉内气氛从通气到恢复正常使 用露点的时间。同时,Fe304、FeO、Fe和Fe3C的 生成和转化,由于它们的密度不同导 致体积发生变化,使砖体疏松、脱落。此外,砖中的 Fe2O3还原生成的Fe是2CO = C + C02反应的触媒,加速CO分解析出炭黑。炭黑在砖内沉积也造成体积胀大。
  由此可见,耐火材料中Fe2O3质量分数的大小是抗渗碳能力好坏的重要标志。实践证明,Fe2O3的质量分数控制在1.0%以下就能满足要求,因此,把 Fe2O3质量分数在1.0%以下的耐火砖称为抗渗碳砖。
  抗渗碳砖按照体积密度的不同,又可分为重质抗渗碳砖和轻质抗渗碳砖。对于重质抗渗碳砖,其气孔率要低,致密度要高。
  (1)碳化硅砖
  碳化硅砖有着优良的导热性、荷重软化点高和热震稳定性好等特点,因此,在高温热处理炉(>1300℃)上用作炉底板和马弗炉膛等。
  碳化硅砖在高温下易氧化生成二氧化硅(以方石英状态存在),随之密度降低,体积增大,加上冷却时产生方石英效应,以致砖体破裂。砖的氧化除了与其性质和使用条件有关外,还与使用部位的气体成分有关,水汽愈多,则砖愈易氧化。硅酸钠在 1300°C时,特别是在氧化气氛下将严重侵蚀碳化硅砖,因此,不宜用水玻璃作为砌砖的结合剂。由于碳化硅砖易膨胀开裂,所以砌筑时,其膨胀缝则显得更为重要。
  碳化硅砖性极脆,受冲击、碰撞后易断裂破碎, 使用时必须注意。
  (2) 透气砖
  流动粒子炉的透气砖主要是向粒子层内均匀布风,承受炉池内粒子的重量。因此,透气砖除要求具有一定的耐火度、抗压强度和急冷急热性外,更重要的还应具有透气均勻、气孔细小的特 点,因为这是影响炉子流化质量的主要参数。因此, 在透气砖材料的选配上,力求达到颗粒呈圆形(经球磨过的最好),粒度相近,以保证均匀的透气性。
  透气砖一般可用镁质或高铝质材料制成。镁质透气砖的性能见表2-1-36。最近也有采用往耐火纤维中加入粘结剂后压制而成的透气砖,其使用效果也比较好。
  (3)   耐热瓷件
  工业炉用耐热瓷件一般可分为镁质瓷和高铝瓷两大类。
  莫来石瓷(2MgO • 2Al2O3 • 5Si02)系镁质瓷的一种,其膨胀系数特低,仅为一般瓷的1/3?1/2。它 的体积不随温度而变化,具有高的热震稳定性和电 绝缘强度,一般用作电炉的耐热绝缘瓷件。
  莫来石瓷和莫来石-刚玉瓷具有足够的力学强度和冲击强度,能耐急冷急热的温度变化,化学稳定性好,软化温度高,一般用来制作热电偶保护管等。
  刚玉瓷的耐火度高,化学稳定性强,高温力学强度大,电绝缘性能优良,因此,可用作高级耐火绝缘制品。
  耐热瓷性能脆,不耐冲击,抗弯强度差,同时热震稳定性不好,使用时必须注意。
  轻质耐火材料工业炉操作时的热损失,仅砌体的蓄热损失和炉子表面向周围介质的辐射损失,就占全部热量消耗总数的24%?45%。为了减少热损失,提高炉子的热效率,就必须正确地选用轻质耐火材料根据使用温度的不同,轻质耐火材料的选用
  采用轻质耐火材料砌筑工业炉后,不仅可以节约燃料和动能,而且可以缩短升温时间,提高炉子的生产率。轻质耐火砖的使用温度应低于该砖烧结温 度的70℃?100°C,以免产生大的重烧收缩而引起砖缝裂开和砖的破裂。由于砖的开口气孔较多,组织疏松,只能用于洁净气氛或不易扬尘的情况下,不能 直接接触熔渣和熔融金属,不能用于与炉料接触摩擦的部分,不宜用于高速炉尘的通道,不能用于机械 振动大的部位。因此,轻质耐火砖不能用作火焰热处理炉的内衬,即使电阻炉的炉底和拱基等承受较大负荷的部位,仍然应用耐火粘土砖砌筑。
  砌筑轻质耐火砖时要注意留适当的砖缝,而且位置和宽度要求布置恰当,这是由于其抗压强度较差,在受热膨胀时易于破裂。如附近有锻锤之类产生振动的设备时,炉子基础最好能安装消振装置。如将轻质耐火砖用于燃料热处理炉的内衬,则应在其表面涂抹一层保护涂料。轻质砖的热容量小,虽然可以迅速加热,但如果过分地利用这一性能,由于其热震稳定性差和强度差,也可能导致破裂。

耐火材料在热处理炉上的使用

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