Hvers vegna dregur hlutfall kísilinnihalds í 316 ryðfríu stáli hitaslíðurrörum undir 0,4% úr oxunarþoli við 650 gráður í loftþjónustu

Smáblendiefni sem hefur mikil áhrif á viðloðun við háhitaskala

Fyrir rafhitunarrör sem eru vafin í 316 ryðfríu stáli og vinna við háan hita (650 gráður) í lofti, er kísilinnihald (venjulega kveðið á um að hámarki 0,75% af ASTM A240) mikilvægur þáttur í oxunarþoli en oft er litið fram hjá þeim. Kísilmagn sem er minna en 0,4% framleiðir hraðþroskandi járn-ríkt oxíðhrist sem losnar auðveldlega og dregur úr endingu slíðunnar 3-5 sinnum samanborið við efni sem inniheldur 0,6-1,0% sílikon. Kísill auðveldar framleiðslu þunnrar samfelldrar lags af myndlausu eða nanókristallaða kísil (SiO2) við snertingu við mælikvarða og málm. Þetta kísillag virkar sem dreifingarhindrun, hægir á útflæði járns og krómkatjóna út á við og dreifingu súrefnis anjóna inn á við. Þessi ritgerð sýnir magngreiningu á sambandinu milli styrkleika kísils, oxunarhvarfafræði og hleðsluhúðunarhegðunar fyrir 316 slíður við 650 gráður. Þetta setur fram forskriftarramma fyrir háhita lofthitara.

Hlutverk kísils í myndun kísils undirskala

Við háhitaoxun á 316 ryðfríu stáli dreifist króm og járn út á við til að búa til ytri Cr2O3/Fe2O3 kvarðann og súrefni dreifist inn á við. Við kísilinnihald yfir ~ 0,4-0,5% oxast kísill helst við snertingu við hleðslumálm til að mynda þunnt (0,1-1,0 µm) samfellt myndlaust kísillag. Þessi kísilhúð hefur tvo varnareiginleika. Í fyrsta lagi er dreifingarstuðull króms í SiO2 um það bil þremur stærðargráðum minni en í Cr2O3, sem dregur verulega úr oxunarhraða. 2. Kísil eykur vélræna viðloðun ytra hreiðar með því að búa til "lím" lag sem gleypir hitaþenslumisræmið. Ef um er að ræða kísil undir 0,4% er kísillagið ósamfellt eða það vantar og ytri hreiður hækkar hratt með beinni dreifingu katjóna í gegnum Cr2O3 . Hristinn sem myndast er gljúpari, þykkari og losnar auðveldlega af hitauppstreymi.

Áhrif Si innihalds á oxunarhegðun við 650 gráður: Magnbundið samband

Stýrð hringlaga oxunarprófun (1 klst lotur við 650 gráður í lofti, þvinguð loftkæling í 100 gráður á milli lota) á 316 slöngum með breytilegu kísilinnihaldi hefur komið á fót sérstökum frammistöðumörkum.

Kísilinnihald (wt%) Króminnihald (wt%) Stöðugt lag af kísil? Oxunarhraði (mg/cm²/klst.) eftir 500 lotur. Hvíldarlosting byrjar (hringrás að fyrstu sýnilegu losun) Málmap eftir 5.000 lotur (µm) Mælt með fyrir 650 gráðu loftþjónustu<0.2 >16 Nei (fjarverandi) 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 Samfellt (0,2-0,5 µm) 0.03-0.06 1,000-2,500 30-60 Mælt með
0.6-0.8 17-19 Stöðugt, stöðugt (0,5-1,0 µm) 0.02-0.04 2,500-5,000 20-40Best fyrir endingu
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
Samspil kísils og mólýbdens við oxun

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%), kemur samfelldur kísil undirkvarði í veg fyrir að mólýbden nái ytra yfirborði og bælir MoO{sub 3} rokgjörn. Mólýbden-rökgun eykst við kísilgildi undir 0,4% sem leiðir til hraðari hnignunarrofs og hraðari oxunar. Fyrir 316 slíður fyrir þjónustu yfir 600 gráður ætti að tilgreina kísilinnihaldið á háu hliðinni á ASTM bilinu (0,6-1,0%) til að vega upp á móti skaðlegum áhrifum mólýbdens.

Skilgreining á kísilinnihaldi fyrir háhitahitaraforrit

Byggt á áætluðum endingartíma og tíðni hitauppstreymis er mælt með eftirfarandi kísilkröfum fyrir 316 hlífðar hitara sem vinna við 650 gráður í lofti eða oxandi brunalofttegundum:

Þjónustuskilyrði Slíðurhitastig (gráður) Hitalotur á dag Lágmarks kísilinnihald (wt%) Ráðlagt kísilsvið (wt%) Önnur málmblöndur ef ekki er hægt að fullnægja kísilþörfinni
Hlaupa stöðugt, hjóla stundum 600-650<1 0.50 0.60-0.80 310 stainless steel
Létt hjólreiðar með hléum 600-650 1-10 0.60 0.70-1.00 310 ss eða Inconel 600
Frequent cycling (>10/day) 550-600 >10 0.60 0.70-1.00 Inconel 600
Stöðug þjónusta 650-700<1 >0,70 (316 ekki mælt með) 0.80-1.00 310 eða Inconel þarf
550-650 Hvaða 0.70 0.80-1.00 Inconel 600 mælt með Öllum þjónustu þar sem brennisteinn er til staðar í andrúmsloftinu Sannprófun á kísilinnihaldi og oxunarvirkni

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 sýnir að kísill nægir. Mesta öryggið þegar allar þrjár sannprófanir eru nauðsynlegar. Fyrir mikilvægar umsóknir.

Vettvangsgreining á lágu niðurbroti kísiloxunar

For 316 sheaths that have failed in 600-650°C air service, suspect low silicon content if the scale is thick (>200 µm), ekki-viðloðandi (slettur við snertingu) og rauðleitur-brúnn (Fe2O3) frekar en grænleitur-svartur (Cr2O3). Ef grunnmálmur var ófullnægjandi mun rafeindasmásjárskoðun eða EDS rannsókn á kvarða-málmviðmótinu sýna ekkert kísil- eða sílikonmagn undir 0,2%. Hið bilaða slíður mun sýna málmtap upp á 200 til 500 µm (alvarleg grófun og þynning) samanborið við 20 til 50 µm fyrir efni með viðeigandi kísil. Bilunarhamurinn eykur þynningu á veggnum með spjöllum og að lokum langsum klofningi þegar veggurinn sem eftir er þolir ekki lengur innri þrýstinginn.

Ályktun: Kísil mikilvægur háhitabreyta

Oxunarviðnám 316 ryðfríu stáli vafinna hitara í lofti við 650 gráður er beint stjórnað af málmblöndunarbreytunni kísilinnihaldi. Með kísilinnihaldi undir 0,4% er oxunin hröð og ekki-verndandi og kalksteinninn rofnar þannig að endingartími hitara minnkar úr 20.000 klukkustundum í 3.000-5.000 klukkustundir. Sérhver notkun þar sem hitastig slíðunnar fer yfir 550 gráður mun krefjast lágmarks kísilstyrks sem er 0,50% og mælir með 0,60-0,80% fyrir hámarksafköst. Fyrir samfellda þjónustu við 650 gráður eða yfir hvaða þjónustu sem er yfir 700 gráður er betra að uppfæra í 310 ryðfríu stáli eða Inconel 600 frekar en að treysta á 316 jafnvel með háum sílikoni. Með því að tengja kísilprósentu við mælanlegan oxunarhraða og sprunguupphaf, gerir aðferðin sem lögð er til hér kaupendum kleift að tilgreina 316 slíður sem varðveita verndandi mælikvarða heilleika við hækkað hitastig.