耐热不锈钢在高温高压水蒸气中的氧化及传热分析

【摘要】： 在高温高压条件下,不锈钢在水蒸气中的氧化速率比在空气中快得多。从水蒸气高温氧化机理出发,得出了耐热不锈钢1Cr18Ni9Ti在高温水蒸气中氧化的物理模型,氧化膜结构由外层和内层构成,外层的主要成分为Fe3O4,内层为尖晶石型的铁铬镍氧化物(Fe,Ni,Cr)3O4。 本文分别建立了1Cr18Ni9Ti在高温高压水蒸气中氧化的外氧化和内氧化模型。根据Wagner理论,受扩散控制的氧化膜厚度与时间成抛物线关系。通过简化假设建立氧的单向扩散外氧化模型,内氧化则采用氧与Cr的双向扩散反应模型。氧化速率主要受燃气温度、压强、水蒸气浓度和燃气流速等因素的影响,通过计算论证,这些影响因素均会使氧化进程加快,尤其温度对氧化速率的影响最大。通过扩散元素的浓度计算表明,不锈钢氧化一段时间后,在外氧化膜和内氧化膜中的扩散元素氧近似成线性分布。在内氧化前沿处,氧和Cr元素完全反应,氧和Cr的浓度近似为零。随着氧化时间的增加,氧的渗透深度也增加。 氧化膜对喷管的传热产生极大的影响。通过热力计算和流场计算确定喷管的热边界条件。采用有限元法对模型进行计算后得出结论:不锈钢氧化后的总热阻变大,瞬时热流密度变小,升温曲线的斜率变小,氧化膜的粗糙度有增强传热的作用。同时由于氧化膜的热阻的作用,不锈钢氧化后的传热性能变差。