Miksi piipitoisuuden prosenttiosuus 316 ruostumattomasta teräksestä valmistetussa lämmittimen vaippaletkussa alle 0,4 % vähentää hapettumiskestävyyttä 650 asteessa ilmapalvelussa

Pieni seosaine, jolla on suuri vaikutus korkean lämpötilan kalkkikiinnitykseen

Ruostumattomaan 316 teräkseen käärittyjen sähkölämmitysputkien, jotka toimivat korkeassa lämpötilassa (650 astetta) ilmaliikenteessä, piipitoisuus (normaalisti ASTM A240:n mukaan enintään 0,75 %) on tärkeä, mutta usein huomiotta jätetty tekijä hapettumiskestävyydessä. Alle 0,4 % piipitoisuudet muodostavat nopeasti kehittyvän rauta-oksidikertoimen, joka roiskuu helposti ja lyhentää vaipan käyttöikää 3-5 kertaa verrattuna materiaaliin, joka sisältää 0,6-1,0 % piitä. Pii helpottaa ohuen jatkuvan amorfisen tai nanokiteisen piidioksidin (SiO2) pinnoitteen valmistusta skaala-metalli-kontaktissa. Tämä piidioksidikerros toimii diffuusioesteenä ja hidastaa raudan ja kromin kationien diffuusiota ulospäin ja happianionien diffuusiota sisäänpäin. Tässä artikkelissa esitetään kvantifiointi piipitoisuuden, hapettumiskinetiikan ja kattilahalkeilukäyttäytymisen välisestä suhteesta 316 vaipan kohdalla 650 asteessa. Tämä asettaa eritelmäkehyksen korkean lämpötilan ilmanlämmitinsovelluksiin.

Piin rooli piidioksidin alamittakaavan muodostumisessa

Ruostumattoman teräksen 316 korkean lämpötilan hapettumisen aikana kromi ja rauta diffuusoituvat ulospäin muodostaen ulomman Cr2O3/Fe2O3-asteikon ja happi diffundoituu sisäänpäin. Piipitoisuuksilla yli ~ 0,4-0,5 % pii hapettuu ensisijaisesti hilse-metalli-kontaktissa muodostaen ohuen (0,1-1,0 µm) jatkuvan amorfisen piidioksidikerroksen. Tällä piidioksidipinnoitteella on kaksi suojaavaa ominaisuutta. Ensinnäkin kromin diffuusiokerroin SiO2:ssa on noin kolme suuruusluokkaa pienempi kuin Cr2O3:ssa, mikä vähentää rajusti hapettumisnopeutta. 2. Piidioksidi lisää ulkoisen kattilan mekaanista adheesiota luomalla "liimakerroksen", joka absorboi lämpölaajenemishäiriön. Jos pii on alle 0,4 %, piikerros on epäjatkuva tai puuttuu ja ulkoinen hilse nousee nopeasti kationien suoran diffuusion johdosta Cr2O:n läpi3 . Muodostunut hilse on huokoisempaa, paksumpaa ja helposti halkeileva lämpökierron vaikutuksesta.

Si-sisällön vaikutus hapettumiskäyttäytymiseen 650 asteessa: määrällinen suhde

Hallittu syklinen hapettumistestaus (1 tunnin syklit 650 asteessa ilmassa, pakotettu ilmanjäähdytys 100 asteeseen jaksojen välillä) 316-letkuilla, joissa on vaihteleva piipitoisuus, on asettanut selkeät suoritusrajat.

Piipitoisuus (painoprosenttia) Kromipitoisuus (painoprosenttia) Jatkuva piidioksidikerros? Hapetusnopeus (mg/cm²/h) 500 syklin jälkeen Kalkin halkeilun alkaminen (jaksot ensimmäiseen näkyvään roiskeeseen) Metallihävikki 5 000 jakson jälkeen (µm) Suositellaan 650 asteen ilmakäyttöön<0.2 >16 Ei (poissa) 0,15-0,30<100 150-300 No 0.2-0.3 16-18 No (discontinuous) 0.10-0.20 100-300 100-200 No 0.3-0.4 16-18 Partial (50-70% coverage) 0.08-0.15 200-500 80-150 Marginal 0.4-0.5 17-18 Thin, 50-80% continuous 0.05-0.10 500-1,000 50-100 Acceptable for moderate cycling
0.5-0.6 17-19 Jatkuva (0,2-0,5 µm) 0.03-0.06 1,000-2,500 30-60 Suositus
0.6-0.8 17-19 Jatkuva, tasainen (0,5-1,0 µm) 0.02-0.04 2,500-5,000 20-40Paras kestävyyden kannalta
0.8-1.0 18-20 Continuous, thicker (1-2 µm) 0.01-0.03 5,000-10,000 10-30 Best for continuous 650°C service1.0 18-20 Continuous but may generate low melting silicides 0.01-0.02 >10,000 <20 Acceptable but monitor for hot shortness
Piin ja molybdeenin vuorovaikutus hapetuksessa

316 stainless steel has 2.0-2.5% molybdenum which enhances pitting resistance in aqueous service but has a severe effect on high temperature oxidation resistance when silicon is low. Molybdenum tends to create volatile oxides (MoO₃) above about 600°C which can break apart the chromium oxide scale. However, with sufficient molybdenum (>0,5%), jatkuva piidioksidin alaskaala estää molybdeenin pääsyn ulkopinnalle ja estää MoO{sub 3}:n haihtumista. Molybdeenin haihtuminen tehostuu alle 0,4 %:n piipitoisuuksissa, mikä johtaa nopeampaan mittakaavan hajoamiseen ja nopeampaan hapettumiseen. Yli 600 astetta käytettäville 316 vaippalle piipitoisuus tulisi määrittää ASTM-alueen yläpuolelle (0,6-1,0 %) molybdeenin haitallisen vaikutuksen kompensoimiseksi.

Piisisällön määritelmä korkean lämpötilan lämmitinsovelluksiin

Arvioidun käyttöiän ja lämpösyklin taajuuden perusteella suositellaan seuraavia piivaatimuksia 316 vaippaiselle lämmittimelle, jotka toimivat 650 asteessa ilmassa tai hapettavissa palamiskaasuissa:

Käyttökunto Vaipan lämpötila ( aste ) Lämpösyklit päivässä Minimipiipitoisuus (paino-%) Suositeltu piivalikoima (paino-%) Vaihtoehtoinen seos, jos piitarpeita ei voida täyttää
Juokse jatkuvasti, pyöräile satunnaisesti 600-650<1 0.50 0.60-0.80 310 stainless steel
Jaksottainen lievä pyöräily 600-650 1-10 0.60 0.70-1.00 310 ss tai Inconel 600
Frequent cycling (>10/day) 550-600 >10 0.60 0.70-1.00 Inconel 600
Jatkuva huolto 650-700<1 >0,70 (316 ei suositella) 0.80-1.00 310 tai Inconel tarvitaan
550-650 Mikä tahansa 0.70 0.80-1.00 Inconel 600 suositeltava Kaikki palvelut, joissa ilmakehässä on rikkiä Piipitoisuuden ja hapettumissuorituksen tarkastus

There are three techniques for verifying acceptable silicon content for buyers who specify 316 sheaths for high temperature use. The first is the mill certificate which must report silicon analysis with an acceptable range (say 0.60-0.80%). The second is a simplified oxidation screening test, in which a sample of the tube is heated in air at 650 °C for 100 hours and then cooled to ambient temperature. The sample is weighed before and after. Weight gain < 2 mg/cm² is good silicon oxidation resistance, > 5 mg/cm² is inadequate silicon. The third way is to metallographically cross-section the oxidised sample and assess the thickness and continuity of the silica layer. The continuous silica layer >0,2 µm osoittaa, että piitä riittää. Suurin luottamus, kun kaikki kolme vahvistusta vaaditaan. Tärkeille sovelluksille.

Alhaisen piin hapettumisen kenttädiagnoosi

For 316 sheaths that have failed in 600-650°C air service, suspect low silicon content if the scale is thick (>200 µm), ei--tarttuva (roiskeita) ja punertavan-ruskea (Fe2O3) vihertävän-mustan (Cr2O3) sijaan. Jos perusmetalli oli riittämätön, elektronimikroskopia tai EDS-tutkimus mittakaava-metallirajapinnasta ei osoita piitä tai piitasoja alle 0,2 %. Vioittuneen vaipan metallihävikki on 200–500 µm (vakava karhentuminen ja oheneminen) verrattuna 20–50 µm:iin materiaalilla, jossa on sopivaa piitä. Vikatila lisää seinän ohenemista halkeilulla ja mahdollisella pitkittäishalkeamalla, kun jäljellä oleva seinä ei enää kestä sisäistä painetta.

Johtopäätös: Piin kriittinen korkean lämpötilan parametri

316 ruostumattomasta teräksestä päällystetyn lämmittimen hapettumisenkestävyyttä ilmakäytössä 650 asteessa säätelee suoraan seosparametrilla piipitoisuus. Kun piipitoisuus on alle 0,4 %, hapettuminen on nopeaa ja ei-suojaavaa, ja kalkki halkeilee siten, että lämmittimen käyttöikä lyhenee 20 000 tunnista 3 000-5 000 h. 0.6-1.0% piitä lisätään jatkuvan piidioksidin alaskaalan muodostamiseksi, joka hidastaa hapettumista kahdella kertaluvulla. Kaikki sovellukset, joissa vaipan lämpötila ylittää 550 astetta, vaativat vähintään 0,50 % piipitoisuuden ja suosittelemme 0,60-0,80 % maksimaalisen suorituskyvyn saavuttamiseksi. Jatkuvaa huoltoa varten 650 asteessa tai sitä korkeammissa yli 700 asteen palveluissa on parempi päivittää 310 ruostumattomaan teräkseen tai Inconel 600:aan sen sijaan, että luotat 316:een jopa korkealla piipitoisuudella. Korreloimalla piin prosenttiosuutta mitattavissa oleviin hapettumisnopeuksiin ja halkeilun alkamiseen, tässä ehdotettu lähestymistapa antaa ostajille mahdollisuuden määrittää 316 vaippaa, jotka säilyttävät suojaavan skaalan eheyden korkeissa lämpötiloissa.