铝加热炉用电热合金带材的使用寿命分析研究

【摘要】随着交通运输、航空航天、建筑等行业的飞速发展,铝加工产品的应用领域越来越广泛。铝合金生产使用的熔炼炉、静置炉的加热器件—电热合金需求量也随之大增。然而电热合金服役环境苛刻,其使用寿命不到一年,平均寿命只有3个月。由于使用寿命比较短,这就对资源的可持续发展造成了一大难题。如何找出影响电热合金使用寿命因素以及开发出一款使用寿命比较长的产品是当务之急。本文先从前期工作开始做起,找出影响电热合金使用寿命因素。采用Cr20Ni80、0Cr25A15、0Cr21A16Nb、0Cr27A17Mo2、HRE五种材质进行预氧化处理,然后安装在铝加热炉中进行使用,观察材料的使用寿命。然后在这五种材质的基础上再加入进口KanthalAF-1材质采用金相显微镜和ImageJ软件进行金相和夹杂物分析,发现0Cr21A16Nb材质具有最小晶粒尺寸,0Cr25A15材质具有最大晶粒尺寸；KanthalAF-1夹杂物含量最少,0Cr25A15材质夹杂物含量最多。对铝加热炉的炉气气氛进行分析,发现了氢气对电热合金带材使用寿命具有一定的影响,采用对电热合金带材的使用环境进行实验模拟,使用KQ-3S型金属中扩散氢测定仪进行了扩散氢的测定,发现电热合金带材在高温环境下溶解了扩散氢,说明了氢气对电热合金具有影响作用。由于抗氧化性是评价电热合金使用寿命的重要指标,进行了电热合金的氧化动力学分析,氧化膜观察分析和氧化膜应力原理分析,发现入稀土元素可以提高电热合金的抗氧化性能。氧化膜的应力产生主要是由PBR引起的生长应力和由于温度变化而形成的热应力。应力的释放主要是高温蠕变、氧化膜的开裂和剥落。为了分析电热合金带材的使用温度分布,采用了ABAQUS中的热电耦合模块对其温度分布进行了分析,然后采用顺序耦合热应力分析模块进行应力分析,发现电热合金带材折弯处具有最高的温度,和最大的应力值,推断电热合金带材在此处断裂。根据实际情况下电热合金带材的使用断裂情况,发现断裂处与热电耦合分析和热应力分析推断的结果相吻合,都为电热合金带材折弯处,说明模拟分析结果正确。通过以上的分析,我们找到了影响电热合金带材使用寿命的一些因素,进行了具体的分析,这对后期的延长使用寿命研究提供了一些帮助,为后期开发出一种比现有电热合金使用寿命提高50%的产品做出理论指导。
【作者】刘春振；
【导师】王晓军；
【作者基本信息】兰州理工大学，材料加工工程，2014，硕士
【关键词】电热合金；使用寿命；氧化膜；热电耦合分析；热应力分析；

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