红外燃烧辐射板失效分析与研究

＊余运敏柴新房

（1.徐州徐工筑路机械有限公司事业部 江苏 221000 2.徐工道路机械分公司 江苏 221000）

红外燃烧辐射板失效分析与研究

＊余运敏1柴新房2

（1.徐州徐工筑路机械有限公司事业部 江苏 221000 2.徐工道路机械分公司 江苏 221000）

本文通过能谱分析确定了失效的热辐射板材质为304不锈钢，在800℃、1000℃和1200℃下模拟其在高温下的使用的情况，并采用XRD对氧化物的物相进行分析。结果显示失效的热辐射板氧化物和1000℃灼烧的氧化物物相完全一致，分析认为热辐射板的失效为使用温度超高所致。对损坏过程分析认为其使用温度不宜长时间超过800℃。

红外热辐射板；超温失效；304不锈钢

图4 PB值随微纳米TiO2-KH550添加量的变化曲线图

从图中可以看出添加TiO2-KH550水基金属切削液的PB值随着微纳米TiO2-KH550的添加呈现先增大后平稳的趋势，未添加微纳米TiO2-KH550水基金属液的PB值为423N，当添加微纳米TiO2-KH550时，PB值即由433N增大到462N，随着微纳米TiO2-KH550浓度的增加，PB值得到进一步提高。当微纳米TiO2-KH550浓度为3．0%时达到了最大值721N，随着纳米浓度的增大，PB值不再增加。其原因主要是纳米粒子浓度增加不可避免引起部分粒子间的相互碰撞，导致发生团聚，粒径增大，大尺寸纳米粒子无法进入摩擦副接触区，虽然浓度增加，但是起到极压承载作用纳米粒子数目并未发生变化，值则不再增加。因此，对于提高水基金属切削液液极压润滑性能，纳米添加剂添加量并不是越多越好，而是存在一个最佳值。

3.结果

(1)通过硅烷偶联剂KH550对微纳米进行表面改性，通过红外特征峰分析证明KH550成功接枝到微纳米TiO2，制得的微纳米TiO2-KH550同时具有良好的亲水性及分散稳定性

(2)添加微纳米TiO2-KH550的水基金属切削液经过润滑剂承载能力测定法(四球法)测定最大无卡咬负荷PB值达721N可评价其润滑性能良好，而且其各项性能均达到了国标GB/T 6144的技术指标要求，是环境友好的金属切削液。

[1]Allen L H and Matijjilic E． Stability of Colloidal Silica, I Effect of Simple Electrolytes[J]．Colloid and Interface Science,1996(31):287～296．

[2]薛中,夏淦珍,林心勇．环保型高效多功能全合成切削液[J]．机床与液压,2007,35(8):256－257．

[3]王丽华,杨铁金．合成水基切削液的研制[J]．齐齐哈尔大学学报,2009,25(1):71- 73．

[4]Varma I K,Singh O P, Sandle N K． Die Angew Ma Krochemie．1983．119:83．

[5]Shen G Q,Zheng Z,Wan Y,et al．Synergistic lubricating effects of borate ester with heterocyclic compound[J]．Wear,2000,246(1):55－58．

[6]魏强兵,蔡美荣,周峰．表面接枝聚合物刷与仿生水润滑研究进展．高分子学报,2012,10,1102-1107．

石文杰（1995～），女，西北民族大学化工学院，研究方向：高分子材料的制备及应用。

(责任编辑李鹏波）

引言

金属纤维制作的红外燃烧器具有高调节比、高表面热强度以及低NOx、低噪声、高辐射性能的特点，因其可以灵活地制作成各种形状、各种规格尺寸的辐射面，正逐步在大锅灶、冷凝式锅炉、纸张干燥、沥青路面加热等领域获得应用。金属纤维红外燃烧器采用一种直径约20μm耐热金属丝编织的、厚度为2～4mm的紧密织物作为燃烧辐射表面。这种金属纤维织物类似粗麻布一样柔软，可以自由加工成各种形状的辐射面，且具有很高的机械强度。金属纤维织物的孔隙直径远小于燃气的熄火距离，再加上编织时使其长纤维在同一平面上，因此横向热传导性好，燃烧器工作时表面容易烧红；另一方面，金属纤维织物在垂直方向上是长纤维的点接触，因而气流方向上以纤维丝相互的接触传热为主，热传导率相对较小，金属纤维织物表面温度即使被加热到接近1000℃时，未燃气体侧的温度与混合气温度仍然很接近，能有效防止回火，因而是一种非常理想的表面燃烧介质材料。在实际的使用过程中，由于金属纤维材质不同，其使用的温度范围也不同。本文分析了一种热辐射板的失效过程，并对其耐热性进行了模拟试验。

1.失效热辐射板的宏观分析

损坏的热辐射板宏观照片如图1～3所示：

图1 辐射板内表面

图2 辐射板外表面图

图3 部分损坏的热辐射板

从图1中可以看出辐射板的内表面被高温灼烧损坏严重，金属丝完全氧化成黑色的脆性的氧化物，呈大范围的网状脱落。图2为辐射板的外表面，其钢板较厚，表观颜色由酱黄色和蓝黑色组成，酱黄色的地方氧化较轻，蓝黑色的地方氧化较重，也为高温灼烧的结果。图3中有部分铁网氧化程度较轻，只在铁网和厚板的表层有非常薄的氧化层，呈酱黄色。从氧化颜色初步判断，此辐射板所采用的材料为不锈钢。不锈钢的成分需进一步分析。

2.热辐射板的成份定量能谱分析

从辐射板上取丝网和厚板样品各一个，打磨后进行能谱的定量分析，确定板材和丝网的合金元素种类及定量关系。打磨的目的是去除表层氧化皮，测定内部金属的种类和含量。

图4 打磨后丝网的SEM照片

图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 打磨后丝网谱图分析结果

表2 打磨后厚板谱图分析结果

从以上能谱的定量分析结果来看，金属丝网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。通过查找手册，发现这一成分和304不锈钢的成分比较接近。

表3 304不锈钢的成分

304不锈钢的一般最高使用温度在800℃以下。为了确定损坏的热辐射板的损坏温度，我们进行如下的热模拟试验。

3.热辐射板的耐热性模拟试验

为了测试热辐射板材料的耐热程度，将热辐射板的金属丝网在氧化条件下分别在800℃、1000℃和1200℃下保温不同时间，观察试验结束后材料的变化。

图6 800℃氧化24h

图7 800℃氧化48h

图8 800℃氧化72h

图9 1000℃氧化24h

图10 1200℃氧化24h

从试验结果来看，稍厚的金属丝网在800℃保温24h，其外形完整，颜色由暗黄色变为黑色，材料具有一定的强度，能折弯掉渣很少。经过保温72小时后，材料仍具有一定的强度，但氧化增加，掉渣增多。薄的金属丝网在800℃氧化24h和48h氧化后，外形基本完整，颜色变为黑色，但48h材料强度降低，用手撕扯能撕开，有氧化渣掉落。氧化72h后，氧化加剧，材料非常容易就撕扯开裂成几块，强度非常低。薄的金属丝网在1000℃和1200℃氧化24h后，其外形能保持完整，但用手轻触即碎成小块乃至粉末，说明材料已经完全氧化，强度完全丧失，没有使用价值。从以上的热模拟试验可以看出，金属丝网在800℃的使用时间不能超过48h，在1000℃及以上温度不能使用。

4.氧化物物相分析

从图1烧坏试样中刮下氧化物残渣和1000℃24h氧化物进行XRD分析，测定反应物相。X射线衍射仪为德国布鲁克（BRUKER）公司，型号：D8ADVANCE。经过采用Jade软件进行分析，烧坏样品残渣和1000℃氧化24h所得氧化物在物相上完全相同，都为Fe2O3、NiFe2O4、Cr2NiO4、(Fe0．6Cr0．4)2O3。这说明热辐射板的损坏是承受了高温过程。

图11 烧坏样品残渣和1000℃氧化24h样品XRD物相

5.损坏过程分析

304是一种通用性的不锈钢，它广泛地用于制作要求良好综合性能（耐腐蚀和成型性）的设备和机件。其是按照美国ASTM标准生产出来的不锈钢的一个牌号，相当于我国的0Cr19Ni9不锈钢。304不锈钢理论使用温度-190-860℃左右，但是实际上达不到860℃这么高。450℃时有个临界点，在450℃以上的时候，会稀释碳周围的铬，形成碳化铬，造成贫铬区，从而使其金相组织从奥氏体转变为铁素体，铁素体中贫铬，从而在高温氧化条件下无法生成具有保护作用的Cr2O3，从而起不到抗氧化作用。

从热模拟试验也可以看出，金属丝薄网在800℃经过48h氧化之后，金属丝网的力学性能将急剧下降，如果在此温度下72h运行，金属丝网将会破损，掉渣。

从以上分析结合失效的图片，可以确定，损坏的热辐射板在高温的火焰下温度超过了900℃并且使用时间超过了24h，从厚金属板的外观来看，部分灼烧成蓝黑色，部分颜色为暗黄色，说明加热火焰对金属板进行了局部加热，造成局部超温，从而损坏了热辐射板。

结论

金属热辐射板的材质为304不锈钢，其引起损坏的原因主要为超温运行。从热模拟的结果来看，这种热辐射板的长期使用温度不应超过800℃。

【参考文献】

[1]王介泉．日本最新红外燃烧技术简介[J]．上海节能,1998(3):20-22．

[2]冯良,逯红梅,谭建新等．大型金属纤维燃气红外辐射板的研究[J]．上海燃气,2004(3):11-17．

[3]张洪芝,陈世海．工业炉用辐射网的研究[J]．钢铁,1989(1):50-54．

[4]伍成波．利用金属辐射网强化换热器烟气侧传热的研究[J]．工业加热,1997(2):23-26．

【作者简介】

余运敏（1973～），男，徐州徐工筑路机械有限公司事业部，研究方向：机械设备材料应用及焊接工艺与设备研究。

柴新房（1973～），男，徐工道路机械分公司，研究方向：无。

(责任编辑李鹏波）

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金属切削液的润滑性分析

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