Kodėl silicio kiekis procentais 316 nerūdijančio plieno šildytuvo apvalkalo vamzdeliuose, mažesnis nei 0,4 %, sumažina atsparumą oksidacijai esant 650 laipsnių oro tarnyboje

Mažas legiravimo elementas, turintis didelį poveikį aukštos temperatūros nuosėdų sukibimui

Elektrinių šildymo vamzdžių, apvyniotų 316 nerūdijančiojo plieno ir oro tarnybų aukštoje temperatūroje (650 laipsnių), silicio kiekis (paprastai ASTM A240 nustatytas ne didesnis kaip 0,75%) yra svarbus, bet dažnai nepaisomas atsparumo oksidacijai veiksnys. Mažesnis nei 0,4 % silicio kiekis sukuria greitai besivystančias geležies- oksidų apnašas, kurios lengvai išsiskleidžia ir sutrumpina apvalkalo tarnavimo laiką 3-5 kartus, palyginti su medžiaga, kurioje silicio yra 0,6–1,0 %. Silicis palengvina plonos ištisinės dangos iš amorfinio arba nanokristalinio silicio dioksido (SiO2) gamybą, kai yra kontaktas su metalu. Šis silicio dioksido sluoksnis veikia kaip difuzijos barjeras, stabdantis geležies ir chromo katijonų difuziją išorėje ir deguonies anijonų difuziją į vidų. Šiame darbe kiekybiškai įvertinamas ryšys tarp silicio koncentracijos, oksidacijos kinetikos ir masto skilimo elgesio 316 apvalkalų esant 650 laipsnių kampui. Tai nustato aukštos temperatūros oro šildytuvų specifikacijų sistemą.

Silicio vaidmuo silicio subskalės formavime

Aukštoje temperatūroje 316 nerūdijančio plieno oksidacijos metu chromas ir geležis išsisklaido į išorę, sudarydami išorinę Cr2O3/Fe2O3 skalę, o deguonis pasklinda į vidų. Kai silicio kiekis viršija ~ 0,4-0,5 %, silicis pirmiausia oksiduojasi kontakte su metalu ir susidaro plonas (0,1–1,0 µm) ištisinis amorfinio silicio dioksido sluoksnis. Ši silicio dioksido danga turi dvi apsaugines savybes. Pirma, chromo difuzijos koeficientas SiO2 yra maždaug trimis dydžiais mažesnis nei Cr2O3, o tai drastiškai sumažina oksidacijos greitį. 2. Silicio dioksidas padidina mechaninį išorinės apnašos sukibimą, sukurdamas „klijų“ sluoksnį, kuris sugeria šiluminio plėtimosi neatitikimą. Jei silicio yra mažiau nei 0,4 %, silicio sluoksnis yra nenutrūkstamas arba jo nėra, o išorinė apnaša greitai pakyla dėl tiesioginės katijonų difuzijos per Cr2O3 . Susidariusios nuosėdos yra poringesnės, storesnės ir lengvai išsiskleidžia dėl terminio ciklo.

Si kiekio poveikis oksidacijos elgsenai 650 laipsnių kampu : kiekybinis ryšys

Kontroliuojamas ciklinis oksidacijos bandymas (1 val. ciklai 650 laipsnių ore, priverstinis oro aušinimas iki 100 laipsnių tarp ciklų) 316 vamzdeliuose su įvairaus silicio kiekiu nustatė aiškias veikimo ribas.

Silicio kiekis (masės proc.) Chromo kiekis (masės proc.) Nepertraukiamas silicio sluoksnis? Oksidacijos greitis (mg/cm²/val.) po 500 ciklų. Skalių skilimo pradžia (ciklai iki pirmojo matomo sluoksnio) Metalo praradimas po 5 000 ciklų (µm) Rekomenduojama 650 laipsnių oro paslaugoms<0.2 >16 Ne (nėra) 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 Nepertraukiamas (0,2–0,5 µm) 0.03-0.06 1,000-2,500 30-60 Rekomenduojama
0.6-0.8 17-19 Nepertraukiamas, pastovus (0,5–1,0 µm) 0.02-0.04 2,500–5,000 20-40Geriausias ilgaamžiškumas
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
Silicio ir molibdeno sąveika oksiduojant

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%), ištisinė silicio dioksido poskalė neleidžia molibdenui pasiekti išorinį paviršių ir slopina MoO{sub 3} garavimą. Molibdeno išgarinimas padidėja, kai silicio lygis yra mažesnis nei 0,4%, todėl greičiau suardoma skalė ir greitesnė oksidacija. 316 apvalkalų, skirtų naudoti aukštesnėje nei 600 laipsnių temperatūroje, silicio kiekis turėtų būti nurodytas ASTM diapazono viršuje (0,6–1,0 %), kad būtų kompensuotas neigiamas molibdeno poveikis.

Silicio turinio apibrėžimas, skirtas aukštos temperatūros šildytuvams

Atsižvelgiant į numatomą tarnavimo laiką ir terminio ciklo dažnį, 316 šildytuvams su apvalkalu, dirbantiems 650 laipsnių ore arba oksiduojančiose degimo dujose, rekomenduojami šie silicio reikalavimai:

Eksploatavimo sąlygos Apvalkalo temperatūra (laipsniai) Šiluminiai ciklai per dieną Minimalus silicio kiekis (masės %) Rekomenduojamas silicio diapazonas (masės %) Alternatyvus lydinys, jei silicio poreikis negali būti patenkintas
Nepertraukiamai važiuokite, retkarčiais ciklą 600–650<1 0.50 0.60-0.80 310 stainless steel
Pertraukiamas lengvas važiavimas dviračiu 600-650 1-10 0.60 0.70-1.00 310 ss arba Inconel 600
Frequent cycling (>10/day) 550-600 >10 0.60 0.70-1.00 „Inconel 600“.
Nuolatinis aptarnavimas 650-700<1 >0,70 (316 nerekomenduojama) 0.80-1.00 310 arba reikia Inconel
550-650 Bet koks 0.70 0.80-1.00 Inconel 600 rekomenduojamas Bet kokios paslaugos, kurių atmosferoje yra sieros Silicio kiekio ir oksidacijos savybių patikrinimas

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 rodo, kad silicio pakanka. Didžiausias pasitikėjimas, kai reikalingi visi trys patikrinimai. Svarbioms programoms.

Mažos silicio oksidacijos skilimo lauko diagnostika

For 316 sheaths that have failed in 600-650°C air service, suspect low silicon content if the scale is thick (>200 µm), ne-prilipusi (liečiant išsilieja) ir rausvai-ruda (Fe2O3), o ne žalsvai{5}}juoda (Cr2O3). Jei netaurieji metalai buvo netinkami, elektronų mikroskopija arba EDS tyrimas dėl masto-metalo sąsajos nerodys silicio arba silicio lygis mažesnis nei 0,2 %. Dėl sugedusio apvalkalo metalo nuostoliai yra 200–500 µm (stiprus šiurkštėjimas ir plonėjimas), palyginti su 20–50 µm, kai medžiaga su atitinkamu siliciu. Dėl gedimo režimo didėja sienos plonėjimas dėl skilimo ir galimo išilginio skilimo, kai likusi siena nebegali atlaikyti vidinio slėgio.

Išvada: Silicio kritinis aukštos temperatūros parametras

316 nerūdijančio plieno apvyniotų šildytuvų atsparumas oksidacijai oro tarnyboje 650 laipsnių kampu tiesiogiai valdomas lydinio parametro silicio kiekiu. Kai silicio kiekis mažesnis nei 0,4 %, oksidacija yra greita ir neapsauga, o nuosėdos išsisklaido taip, kad šildytuvo tarnavimo laikas sutrumpėja nuo 20 000 h iki 3 000–5 000 h . 0.6-1.0% silicio pridedama, kad susidarytų nuolatinė silicio dioksido poskalė, kuri sulėtina oksidaciją dviem laipsniais. Bet kokiam naudojimui, kai apvalkalo temperatūra viršija 550 laipsnių, reikės minimalios 0,50 % silicio koncentracijos ir rekomenduojame 0,60–0,80 %, kad būtų pasiektas maksimalus efektyvumas. Norint nepertraukiamai aptarnauti 650 laipsnių ar aukštesnėje temperatūroje, bet kuriai aukštesnei nei 700 laipsnių temperatūrai, geriau patobulinti iki 310 nerūdijančio plieno arba Inconel 600, o ne priklausyti nuo 316 net ir naudojant didelį silicio kiekį. Koreliuojant silicio procentą su išmatuojamais oksidacijos laipsniais ir skilimo inicijavimu, čia siūlomas metodas leidžia pirkėjams nurodyti 316 apvalkalų, kurie išsaugo apsauginės skalės vientisumą aukštesnėje temperatūroje.