工业炉用耐热合金选择
工业炉用耐热合金选择(selection of heat resisting alloys used on industrial furnace)
工业炉内高温构件和换热器设计中的一个主要内容。合理选材是保证设备长期正常使用、充分发挥经济效益的前提之一。普通碳素钢因高温强度和抗氧化性较低，一般只能用于400～450℃以下。合金结构钢中的铬钼钢、铬钼钒钢，合金元素总含量不超过5％、价格较低，使用温度可提高到550～580℃，而且有相当的热强性。从20世纪70年代起，中国根据自己的资源条件，开发了无铬热强钢12MoVWBSiRE，其持久强度高于常用的12Cr1MoV，而抗氧化性与之相当；多元强化的12Cr2MoWTiB钢和12Cr3MoVSiTiB钢，使用温度达600～620℃。当炉内构件要求具有较高的高温强度和抗氧化性时，主要使用不锈钢和耐热钢(以铸钢件为主)，其次是耐热铸铁。不锈钢和耐热钢在使用范围内互有交叉，一些不锈钢兼有耐热钢的特性，因此某些钢号既列入不锈钢的国家标准，也列入耐热钢的国家标准。
耐热钢的分类和性能 耐热钢按用途分为抗氧化钢和热强钢，前者有较好的化学稳定性(抗氧化性)，但承受的载荷较低；后者有较高的高温强度和相当的化学稳定性。耐热钢按组织特征分为马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢三类：(1)马氏体钢。含铬量一般为5％～13％，在600～700℃以下有较高的高温强度，抗氧化性可达800℃。焊接性能较差或尚可。常用的钢号有1Cr5Mo、4Cr9Si2、1Cr13、1Cr13Mo等。(2)铁素体钢。含铬量一般为12％～30％，有时还含锰、硅、铝等元素，抗氧化性比马氏体钢更好。当含铬量≥15％时，在475℃和在550～750]C下长期使用会出现475℃脆性和σ相脆性，当在不低于900℃下使用时会出现晶粒长大，导致出现脆性，高温强度较低。铁素体钢很少以铸态使用。常用的钢号有00Cr12、0Cr13Al、1Cr17、2Cr25N等。(3)奥氏体钢。铬镍含量较高，当在650～700℃以上使用时，兼顾了高温强度、抗氧化性和焊接性能等多方面要求，因而应用较广。典型钢种是18Cr–8Ni型和25Cr–20Ni型。由于镍元素在世界上较少，在发展铬镍奥氏体钢的同时，不少国家都开展了节镍或无镍奥氏体钢的研究，中国研制的铬锰氮奥氏体热强钢已部分取代了铬镍钢。随着生产工艺的发展，出现了用微碳不锈钢代替用钛稳定的18Cr–8Ni型不锈钢的趋势。当要求的高温强度更高时，铁基合金已不能满足，这时使用铁镍基合金或钴基合金。有时用铁铬铝型电热合金或镍铬型电热合金作为高温陶瓷纤维炉衬的固定材料。
某些高合金钢难以加工变形，可以用铸造方法生产形状复杂的铸件，铸件不仅比轧件或锻件经济，而且高温强度也较高，还能根据需要调整化学成分。采用精密铸造或离心铸造工艺可获得表面光滑、尺寸精确的铸件，因此高温工业炉内的构件主要是耐热铸钢件。用于轧件或锻件的钢号原则上都可以铸造，只是为了满足铸造工艺和性能的要求需在化学成分上稍作调整。
耐热钢的选用 根据使用条件选择相应的钢号，然后作经济比较，选定合适的钢号。使用条件包括：(1)使用温度及温度范围。炉内构件(如辐射管)的温度要比工件的温度高出50～150℃，而换热器的壁温则比烟气温度低。(2)热源(重油、煤气、电能等)。(3)使用时所处的气氛(氧化性、还原性、中性、含硫气氛、渗碳气氛和真空等)。(4)使用时的荷载情况(仅承受自重、静荷载和动荷载)。(5)受热情况。例如，是反复受热和冷却还是连续受热，构件内的温度差，冷却是炉冷还是空冷，是油淬还是水淬。对于反复受热的承重构件，当构件失效的主要形式是变形时，通常按蠕变强度设计，蠕变速度为0.0001％•h–1，即工作期限为1万小时而允许总应变为1％。安全系数为1.25～2.00。当构件失效的主要形式是破坏而不是变形时，通常按持久强度设计，设计寿命为数万小时。某些钢号在设计温度下的许用应力和安全系数在GB 150和GB 9222中已经规定，GB 150和GB 5310还提供了钢板和钢管的高温力学性能，设计应遵循这类标准。(6)更换的难易程度。选材时还要考虑材料的耐磨性能和热膨胀系数，以便预留出合理的问隙。选材的基本方向见表。
铸铁的性能和选用 灰铸铁的使用温度一般在300℃以下，用于抗拉强度低于400MPa又不承受冲击载荷的炉内构件。从室温到400℃的范围内，它的力学性能变化不大，抗拉强度在150–200℃之间稍有下降，随后又有回升，400℃以上显著下降。球墨铸铁的使用温度一般在370℃以下，用于要求较高强度和疲劳极限并承受一定冲击载荷的炉内构件。对耐热铸铁的主要要求是耐热性，即高温下抗氧化、抗长大、并保持较高的强度、硬度和抗蠕变的能力，其中重点是抗氧化和抗长大的能力。耐热温度是指经过150h，试样长度增加量小于0.2％，平均氧化增重小于0.5g／(m2•h)时所处的温度。当炉内构件使用耐热铸铁时，低于550～600℃者选用低铬耐热铸铁，低于700～750℃者选用高硅耐热铸铁或高硅耐热球墨铸铁，提高含硅量或加钼可将耐热温度再提高一步。硅铝系或高铝系耐热球墨铸铁的耐热温度可达1050～1100℃。