Высокотемпературные материалы в энергетике: учебное пособие

Теплухин Г.Н., Гропянов А.В., Жукова М.Н.

СПбГТУРП, 2011 г.

5.1. МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Нагревательные элементы электротермических установок могут быть выполнены из сплавов с высоким электрическим сопротивлением или из сплавов тугоплавких металлов.

Сплавы с высоким электрическим сопротивлением должны обладать:

- высокой жаростойкостью (окалиностойкостью);

- высоким удельным электрическим сопротивлением;

- высокой излучательной способностью;

- стабильностью сопротивления;

- небольшим и постоянным значением температурного коэффициента электросопротивления;

- достаточной электропрочностью (для сохранения формы нагревательных элементов в процессе их работы);

- удовлетворительной технологичностью (пластичность, свариваемость).

Перечисленным требованиям наиболее полно соответствуют специально разработанные для нагревательных элементов сплавы сопротивления, которые можно разделить на две группы; никельхромовые и железохромоалюминиевые. Основой никельхромовых сплавов служат никель или никель и железо. Основными легирующими элементами являются хром, алюминий и кремний. Основой железохромоалюминиевых сплавов является железо. Основными легирующими элементами - хром и алюминий. В оба типа сплавов для повышения жаростойкости вводят микродобавки редкоземельных и щелочноземельных металлов.

Наряду с легирующими элементами, обеспечивающими высокую жаростойкость сплавов, в них содержатся также и примесные элементы, попадающие с шихтовыми материалами в процессе плавки. Это прежде всего сера и фосфор, оказывающие отрицательное воздействие на механические свойства и снижающие жаростойкость.

Очень сильно снижает жаростойкость сплавов углерод. Например, повышение содержания углерода с 0,04-0,05 % до 0,08-0,09 % в сплавах Х23Ю5Т и Х27Ю5Т может снизить срок службы нагревательных элементов в 4-5 раз. Примесными элементами для железохромоалюминиевых сплавов также являются кремний и марганец, а для никельхромовых сплавов - титан и марганец. Однако последние в пределах, допускаемых ГОСТ 10994-74, не вызывают значительного снижения жаростойкости.

Отечественная промышленность выпускает никельхромовые сплавы марок ХН20ЮС, Х15Н60, Х15Н60-Н, Х20Н80-Н, ХН60ЮЗ, ХН70Ю, Х15Н60ЮЗА и железохромоалюминиевые сплавы марок Х15Ю5, Х23Ю5, Х27Ю5Т. Сплав Х15Н60 в связи с низкой жаростойкостью рекомендуется применять лишь в качестве реостатного материала. Химический состав сплавов сопротивления приведен в табл. 14.

Никельхромовые сплавы обладают меньшей жаростойкостью (окалиностойкостью) и меньшим удельным электрическим сопротивлением, чемжелезохромоалюминиевые. Они не устойчивы в среде, содержащей серу и сернистые соединения. Однако никельхромовые сплавы более пластичны, обладают большей жаропрочностью и не охрупчиваются в процессе эксплуатации, как железохромоалюминиевые. Максимальная температура применения никельхромовых сплавов 1200-1500 °С, железохромоалюминиевых сплавов 1350-1400 °С, однако жаропрочные свойства последних невысокие. При температуре 1300 °С и выше удлинение их при эксплуатации может составить 20-25 %.

Никельхромовые сплавы могут работать в контакте с шамотом любой марки, не взаимодействуя с ним. Железохромоалюминиевые сплавы при температуре выше 1000 °С могут работать в контакте лишь с высокоглиноземистыми огнеупорами (с содержанием оксида алюминия не менее 60 -70 %). При меньшем содержании оксида алюминия и наличии оксидов железа в огнеупорном материале наблюдается химическое взаимодействие между нагревательным элементом и футеровкой в месте их контакта, в результате чего на поверхности нагревателя возникают легкоплавкие эвтектики, что приводит к образованию язв (кратеров) и перегоранию элемента. Нагреватели из любых сплавов разрушаются в печах с атмосферой, содержащей водород, при использовании футеровочных материалов или мертелей на фосфатных связках.

Пластичность железохромоалюминиевых сплавов возрастает с увеличением температуры, и при температуре 800-1000 °С они легко поддаются деформации. Однако при температуре 400-500 °С наблюдается зона хрупкости. При медленнном охлаждении до комнатной температуры хрупкость сохраняется. Для ее устранения следует выдерживать металл при температуре 750-850 °С, а затем проводить закалку металла в воде. При нагреве до 900 -950 °С и выше происходит быстрый рост зерна, приводящий к необратимому охрупчиванию. Железохромоалюминиевые сплавы не рекомендуется эксплуатировать в среде азота, так как алюминий с азотом легко образуют нитриды, обедняя твердый раствор легирующим веществом, обеспечивающим жаростойкость сплава.

В вакууме при давлении до 10"² Па для нагревательных элементов при температуре до 1150 °С рекомендуется применять сплавы ХН70Ю, Х15Н60ЮЗА, Х20Н80-Н, при этом предпочтение следует отдавать сплавам, дополнительно легированным алюминием, поскольку скорость их испарения в вакууме ниже, чем у никелевых сплавов.

Нагреватели из железохромоалюминиевых сплавов в процессе работы охрупчиваются. Ремонт их, связанный с правкой и гибкой, следует вести при температуре 800-900 °С. Никельхромовые сплавы сохраняют пластичность до конца эксплуатации нагревателей.

При выборе конструкции нагревателей следует учитывать, что места сварки обладают меньшей жаростойкостью, чем основной металл. Для железохромоалюминиевых сплавов сварные швы и околошовная зона обладают, кроме того, повышенной хрупкостью. Сварку следует вести аргонодуговым методом с нерасходуекпям вольфрамовым электродом и присадочной проволокой той же марки, что и свариваемый материал. Для нагревателей из никельхромовых сплавов, работающих при температуре ниже 1100 °С, допускается ручная электродуговая сварка электродами марки 03Л25 или 03Л25Б. Приварку тонкой проволоки к выводам осуществляют контактно-конденсаторной сваркой.

В процессе эксплуатации металлических нагревателей в воздушной атмосфере происходит их окисление и изменение химического состава, что приводит к изменению их физических свойств. Это выражается, в частности, в уменьшении удельного электрического сопротивления и росте температурного коэффициента электрического сопротивления.

В современной промышленности все более широкое применение получают газонаполненные электропечи сопротивления. По назначению равновесные атмосферы делятся на следующие группы:

- защитные (восстановительные) - обеспечивающие предотвращение окисления и обезуглероживания и применяемые для светлого отжига, нормализации и закалки, пайки, восстановления и спекания порошков;

- окислительные - используемые при контролируемом окислении и создании оксидных пленок;

- науглероживающие - применяемые в качестве газовых карбюризаторов для газовой цементации, газового цианирования (нитроцементации);

- специальные - используемые при химико-термической обработке, например, азотировании, хромировании, борировании и пр.

При работе нагревателей в углеродосодержащих атмосферах наряду с окислением происходит интенсивное их науглероживание. При этом жаростойкость снижается из-за протекания процесса карбидообразования, при котором твердый раствор обедняется хромом. Кроме того, углерод восстанавливает оксиды металлов с образованием газообразного оксида углерода, который, улетучиваясь, разрыхляет защитную оксидную пленку. При науглероживании увеличиваются хрупкость, чувствительность к термическим напряжениям.

В табл. 15 приведены максимальные рабочие температуры применения нагревателей из сплавов Х23Ю5Т и Х23Ю5.