高性能铬铁铝合金电热材料的开发及应用

2024年6月3日

来源：中国金属学会

一、研究背景与问题

随着我国环保排放标准的提高和执法力度的加大，催生了大量高性能电加热合金的市场需求，原来以煤、油、气为能源的部分行业改用电加热。陶瓷烧结需要加热到1300℃以上的温度，改用电加热已形成趋势。连续式钢带热处理炉采用燃气加热会产生大量的氮氧化物和二氧化硫，造成环境污染，采用电加热钢带热处理炉已成为一种发展趋势。随着不锈钢行业竞争的加剧，钢带利润率严重下降，每公斤的利润只有几分钱，钢带热处理炉的效率对于成本控制非常重要，提升效率的唯一途径就是使炉温上升速度加快，炉温的提高已经对铬铝铁电加热材料的耐温要求提出了极限，常规的国产材料已经无法满足需要。

经过60多年的发展，我国电热合金无论是产品品牌设计还是生产工艺技术进步与市场需求相比都比较缓慢，与发达国家的材料性能相比还存在一定差距，导致我国电热合金大量出口，另一方面，在一些高端需求领域又处于“天价”！大量采购进口材料。还有一些高功率密度的电热元件，由于空间限制，需要在狭小的空间内产生很大的加热功率，导致电热元件的表面负荷急剧上升，一般的电热材料无法承受如此高的表面负荷而迅速变形失效，只能依靠国外进口抗蠕变的耐高温电热材料。

总体来看，我国FeCrAl电热合金材料缺乏高端生产工艺技术，低端产品竞争激烈，高性能FeCrAl电热合金依赖进口的局面依然存在。产业发展面临瓶颈制约。随着中美贸易摩擦和全球经济下滑、市场竞争加剧以及环保要求的提高，我国部分高端制造业对高性能铬铁铝电热材料的市场需求反而有增无减，严重依赖进口材料，迫切需要开发国产高性能电热合金材料。

二、解题思路及技术方案

1、研究思路

本项目以开发高性能铬铁铝合金为目标，结合当前国内铬铁铝合金电热丝生产的限制条件，攻克目前行业存在的难点和不足，具体研究思路如下。

以研究Fe-Cr-Al合金材料在不同温度下的抗氧化能力为目的，研究氧化膜的形成机理和元素的扩散机制，表征材料的最佳使用温度和环境。

以研究电热合金材料的抗高温蠕变性能为目标，研究成分、组织等对蠕变性能的影响，考虑改进冷加工工艺和热处理工艺，以增强电热合金材料的抗高温蠕变性能。

以构建零部件设计开发能力为目标，研究FeCrAl合金表面辐射斑与氧化膜成分的关系，研究热处理设备温度场均匀化的技术措施。

以提升扩散炉客户的使用体验、降低高温线膨胀对炉子使用寿命的影响为目标，研究分析铬铁铝电热合金的热膨胀特性，探索降低线膨胀系数的可行措施。

2、技术路线

目前生产Gitane Fe-Cr-Al合金所采用的工艺路线如下图1所示。该生产工艺路线冶炼设备和工序比较简单，投资少，产出快，成本低，质量好。其中，采用三相内衬电渣炉+电渣重熔双电渣冶炼方法，可以很好地解决FeCr-Al合金熔炼和凝固过程中的偏析、应力开裂和纯净度问题。

图1 Fe-Cr-Al合金形成的工艺路线

三、主要创新成果

1、高温抗氧化机理研究

在不同温度、不同时间下进行氧化实验，得到原子百分比浓度随蚀刻时间的深度分布图，氧化层厚度及成分如图2所示。可以看出，Cantel A-1表面层全部为Al2O3、少量Fe2O3，中层基本为Al2O3，内层基本为Al2O3、少量Fe2O3和Cr2O3。

图2 A-1 金色氧化膜

从图3的测试结果可以看出，不同规格的Kanthal金氧化膜的成分和厚度几乎相同，且Al2O3含量较高。

图3 Cantel金材料氧化膜

2、高温抗蠕变机理研究

经测试，8.0mm规格的Kanthal A-1在1000℃下的蠕变强度介于HRE与HYZ之间。为了排除不同规格对蠕变强度的影响，对不同规格HYZ的蠕变曲线进行分析如下图4所示。发现，同规格（8.0mm）的HYZ的蠕变性能与A-1结果相当，相同时刻蠕变位移略高于A-1。

图4 HYZ蠕变曲线比较

图5 HRE蠕变曲线对比

从上图5可以看出，1596批（6.0mm）HRE的蠕变性能与A-1结果相似；

3、表面发射率规律研究

根据辐射的波长范围可以看出，波长越短，辐射出的光量子的能量越高。光量子能量E=hv=hc/λ，其中h为普朗克常数，v为频率，c为光速，λ为波长，所以光量子能量与波长成反比。但辐射强度与波长没有关系，辐射强度定义为单位时间内单位面积、单位球面角的辐射，单位波长辐射的能量总和。为了进一步分析物质表面的辐射能力与光的波长之间的关系，对数据作了进一步的分析。

图6 波长与相对辐射强度结果

表1 各波长相对辐射强度数据

根据各波长对应的相对辐射强度数据可以看出，在750℃条件下，这六个钢种的辐射热性能为0Cr21Al6Nb>APM>SGHYZ>HRE>AF>A-1，能量分辨率为0Cr21Al6Nb>APM>HRE>SGHYZ>AF>A-1。（半高宽，又称半峰宽，是指吸收峰高度最大值处谱带的全宽，即透射峰在峰高一半处的宽度。常用来表示能量分辨率。）

表2 相对辐射强度数据对应的波长范围

为了进一步明确不同钢种对应的最佳辐射波长，统计了不同辐射强度对应的波长范围，根据统计结果，FeCrAl合金材料的最佳辐射波长为2~6μm。

4、热膨胀特性机理研究

近年来关于合金相热膨胀性能的研究较少。综合现有研究成果，发现合金的热膨胀特性受其组成相的溶质元素及其含量的影响。通常，当加入热膨胀系数大于基体热膨胀系数的溶质时，合金的热膨胀系数增大；反之，热膨胀系数减小。研究发现，w(Co+Ni)、w(Co)/w(Ni)、w(Co)/w(Co+Ni)等参数可以反映Co、Ni、Fe等几种元素之间比例对膨胀系数的影响，但尚未见有关FeCrAl材料成分对膨胀系数影响的相关研究。因此，为了验证，根据Fe-Cr-Al合金的主要成分，利用真空炉在5炉中冶炼了不同Cr、Al含量的合金试样，进行了热膨胀试验，试验结果如下。

表3 不同Cr、Al组分样品的主要成分