紅外燃燒輻射板失效分析與研究

＊余運敏柴新房

（1.徐州徐工筑路機械有限公司事業部 江蘇 221000 2.徐工道路機械分公司 江蘇 221000）

紅外燃燒輻射板失效分析與研究

＊余運敏1柴新房2

（1.徐州徐工筑路機械有限公司事業部 江蘇 221000 2.徐工道路機械分公司 江蘇 221000）

本文通過能譜分析確定了失效的熱輻射板材質為304不銹鋼，在800℃、1000℃和1200℃下模擬其在高溫下的使用的情況，并采用XRD對氧化物的物相進行分析。結果顯示失效的熱輻射板氧化物和1000℃灼燒的氧化物物相完全一致，分析認為熱輻射板的失效為使用溫度超高所致。對損壞過程分析認為其使用溫度不宜長時間超過800℃。

紅外熱輻射板；超溫失效；304不銹鋼

圖4 PB值隨微納米TiO2-KH550添加量的變化曲線圖

從圖中可以看出添加TiO2-KH550水基金屬切削液的PB值隨著微納米TiO2-KH550的添加呈現先增大后平穩的趨勢，未添加微納米TiO2-KH550水基金屬液的PB值為423N，當添加微納米TiO2-KH550時，PB值即由433N增大到462N，隨著微納米TiO2-KH550濃度的增加，PB值得到進一步提高。當微納米TiO2-KH550濃度為3．0%時達到了最大值721N，隨著納米濃度的增大，PB值不再增加。其原因主要是納米粒子濃度增加不可避免引起部分粒子間的相互碰撞，導致發生團聚，粒徑增大，大尺寸納米粒子無法進入摩擦副接觸區，雖然濃度增加，但是起到極壓承載作用納米粒子數目并未發生變化，值則不再增加。因此，對于提高水基金屬切削液液極壓潤滑性能，納米添加劑添加量并不是越多越好，而是存在一個最佳值。

3.結果

(1)通過硅烷偶聯劑KH550對微納米進行表面改性，通過紅外特征峰分析證明KH550成功接枝到微納米TiO2，制得的微納米TiO2-KH550同時具有良好的親水性及分散穩定性

(2)添加微納米TiO2-KH550的水基金屬切削液經過潤滑劑承載能力測定法(四球法)測定最大無卡咬負荷PB值達721N可評價其潤滑性能良好，而且其各項性能均達到了國標GB/T 6144的技術指標要求，是環境友好的金屬切削液。

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石文杰（1995～），女，西北民族大學化工學院，研究方向：高分子材料的制備及應用。

(責任編輯李鵬波）

引言

金屬纖維制作的紅外燃燒器具有高調節比、高表面熱強度以及低NOx、低噪聲、高輻射性能的特點，因其可以靈活地制作成各種形狀、各種規格尺寸的輻射面，正逐步在大鍋灶、冷凝式鍋爐、紙張干燥、瀝青路面加熱等領域獲得應用。金屬纖維紅外燃燒器采用一種直徑約20μm耐熱金屬絲編織的、厚度為2～4mm的緊密織物作為燃燒輻射表面。這種金屬纖維織物類似粗麻布一樣柔軟，可以自由加工成各種形狀的輻射面，且具有很高的機械強度。金屬纖維織物的孔隙直徑遠小于燃氣的熄火距離，再加上編織時使其長纖維在同一平面上，因此橫向熱傳導性好，燃燒器工作時表面容易燒紅；另一方面，金屬纖維織物在垂直方向上是長纖維的點接觸，因而氣流方向上以纖維絲相互的接觸傳熱為主，熱傳導率相對較小，金屬纖維織物表面溫度即使被加熱到接近1000℃時，未燃氣體側的溫度與混合氣溫度仍然很接近，能有效防止回火，因而是一種非常理想的表面燃燒介質材料。在實際的使用過程中，由于金屬纖維材質不同，其使用的溫度范圍也不同。本文分析了一種熱輻射板的失效過程，并對其耐熱性進行了模擬試驗。

1.失效熱輻射板的宏觀分析

損壞的熱輻射板宏觀照片如圖1～3所示：

圖1 輻射板內表面

圖2 輻射板外表面圖

圖3 部分損壞的熱輻射板

從圖1中可以看出輻射板的內表面被高溫灼燒損壞嚴重，金屬絲完全氧化成黑色的脆性的氧化物，呈大范圍的網狀脫落。圖2為輻射板的外表面，其鋼板較厚，表觀顏色由醬黃色和藍黑色組成，醬黃色的地方氧化較輕，藍黑色的地方氧化較重，也為高溫灼燒的結果。圖3中有部分鐵網氧化程度較輕，只在鐵網和厚板的表層有非常薄的氧化層，呈醬黃色。從氧化顏色初步判斷，此輻射板所采用的材料為不銹鋼。不銹鋼的成分需進一步分析。

2.熱輻射板的成份定量能譜分析

從輻射板上取絲網和厚板樣品各一個，打磨后進行能譜的定量分析，確定板材和絲網的合金元素種類及定量關系。打磨的目的是去除表層氧化皮，測定內部金屬的種類和含量。

圖4 打磨后絲網的SEM照片

圖5 打磨后厚板表面SEM照片

元素 K比 ZAF修正值 重量百分比% 原子百分比% Al-(Ka) 0.00216 0.4874 0.4214 0.8492 Si-(Ka) 0.00540 0.6451 0.7964 1.5418 S-(Ka) 0.00872 0.8844 0.9385 1.5916 Cr-(Ka) 0.18309 1.0137 17.1925 17.9788 Fe-(Ka) 0.70811 0.9570 70.4298 68.5722 Ni-(Ka) 0.09252 0.8616 10.2214 9.4665

表1 打磨后絲網譜圖分析結果

表2 打磨后厚板譜圖分析結果

從以上能譜的定量分析結果來看，金屬絲網和厚板的成分基本是一致的，即Fe的含量在70%左右，Cr的含量在18～19%左右，Ni的含量在9～10%左右。通過查找手冊，發現這一成分和304不銹鋼的成分比較接近。

表3 304不銹鋼的成分

304不銹鋼的一般最高使用溫度在800℃以下。為了確定損壞的熱輻射板的損壞溫度，我們進行如下的熱模擬試驗。

3.熱輻射板的耐熱性模擬試驗

為了測試熱輻射板材料的耐熱程度，將熱輻射板的金屬絲網在氧化條件下分別在800℃、1000℃和1200℃下保溫不同時間，觀察試驗結束后材料的變化。

圖6 800℃氧化24h

圖7 800℃氧化48h

圖8 800℃氧化72h

圖9 1000℃氧化24h

圖10 1200℃氧化24h

從試驗結果來看，稍厚的金屬絲網在800℃保溫24h，其外形完整，顏色由暗黃色變為黑色，材料具有一定的強度，能折彎掉渣很少。經過保溫72小時后，材料仍具有一定的強度，但氧化增加，掉渣增多。薄的金屬絲網在800℃氧化24h和48h氧化后，外形基本完整，顏色變為黑色，但48h材料強度降低，用手撕扯能撕開，有氧化渣掉落。氧化72h后，氧化加劇，材料非常容易就撕扯開裂成幾塊，強度非常低。薄的金屬絲網在1000℃和1200℃氧化24h后，其外形能保持完整，但用手輕觸即碎成小塊乃至粉末，說明材料已經完全氧化，強度完全喪失，沒有使用價值。從以上的熱模擬試驗可以看出，金屬絲網在800℃的使用時間不能超過48h，在1000℃及以上溫度不能使用。

4.氧化物物相分析

從圖1燒壞試樣中刮下氧化物殘渣和1000℃24h氧化物進行XRD分析，測定反應物相。X射線衍射儀為德國布魯克（BRUKER）公司，型號：D8ADVANCE。經過采用Jade軟件進行分析，燒壞樣品殘渣和1000℃氧化24h所得氧化物在物相上完全相同，都為Fe2O3、NiFe2O4、Cr2NiO4、(Fe0．6Cr0．4)2O3。這說明熱輻射板的損壞是承受了高溫過程。

圖11 燒壞樣品殘渣和1000℃氧化24h樣品XRD物相

5.損壞過程分析

304是一種通用性的不銹鋼，它廣泛地用于制作要求良好綜合性能（耐腐蝕和成型性）的設備和機件。其是按照美國ASTM標準生產出來的不銹鋼的一個牌號，相當于我國的0Cr19Ni9不銹鋼。304不銹鋼理論使用溫度-190-860℃左右，但是實際上達不到860℃這么高。450℃時有個臨界點，在450℃以上的時候，會稀釋碳周圍的鉻，形成碳化鉻，造成貧鉻區，從而使其金相組織從奧氏體轉變為鐵素體，鐵素體中貧鉻，從而在高溫氧化條件下無法生成具有保護作用的Cr2O3，從而起不到抗氧化作用。

從熱模擬試驗也可以看出，金屬絲薄網在800℃經過48h氧化之后，金屬絲網的力學性能將急劇下降，如果在此溫度下72h運行，金屬絲網將會破損，掉渣。

從以上分析結合失效的圖片，可以確定，損壞的熱輻射板在高溫的火焰下溫度超過了900℃并且使用時間超過了24h，從厚金屬板的外觀來看，部分灼燒成藍黑色，部分顏色為暗黃色，說明加熱火焰對金屬板進行了局部加熱，造成局部超溫，從而損壞了熱輻射板。

結論

金屬熱輻射板的材質為304不銹鋼，其引起損壞的原因主要為超溫運行。從熱模擬的結果來看，這種熱輻射板的長期使用溫度不應超過800℃。

【參考文獻】

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【作者簡介】

余運敏（1973～），男，徐州徐工筑路機械有限公司事業部，研究方向：機械設備材料應用及焊接工藝與設備研究。

柴新房（1973～），男，徐工道路機械分公司，研究方向：無。

(責任編輯李鵬波）

Analysis and Study of the Failure of Infrared Combustion Radiant Panel

Yu Yunmin1, Chai Xinfang2
（1.Business Department of Xuzhou Xugong Construction Machinery co., ltd, Jiangsu, 221000 2.Xugong Road Machinery Branch Office, Jiangsu, 221000）

Based on the energy spectrum analysis, this paper confirms the texture of failed thermal radiation panel is 304 stainless steel, besides, it simulates its service situation under the high temperatures of 800℃, 1000℃ and 1200℃ and adopting XRD to take analysis of the phase of oxide. Results show that the failed thermal radiation panel oxide is completely same with the 1000 ℃ cauterant oxide phase and analysis result shows that the failure of thermal radiation panel is caused by the ultra high temperature. For the damage process, the analysis result shows that its operating temperature should be less than 800℃.

infrared radiation panel；overtemperature and failure；304 stainless steel(4)TiO2-KH550金屬切削液的潤滑性分析

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