310S vs Incoloy 800: Lämmönkesto{2}}metalliseoksen valinta uuni- ja uunisovelluksiin

Johdanto

Uunien, uunien ja lämpökäsittelyn-insinöörit joutuvat rutiininomaisesti kohtaamaan saman materiaalipäätöksen: määritä kustannus-tehokas lämmönkestävä-ruostumaton teräs tai valitse nikkeli-rauta-kromiseos, joka on valmistettu kestämään korkean lämpötilan-lujuutta.310S ruostumatonta terästäja Incoloy 800 (mukaan lukien 800H- ja 800HT-versiot) ovat kaksi yleisimmin verrattua ehdokasta tähän päätökseen. Molemmat kestävät hapettumista korkeassa lämpötilassa, molemmat valmistetaan ja hitsataan helposti, ja molempia esiintyy rutiininomaisesti uunin ovissa, muhveleissa, säteilyputkissa ja lämpö-käsitellyissä kalusteissa.

Niiden suorituskyky kuitenkin eroaa jyrkästi, kun kuvaan tulee hiilettävä ilmapiiri, jatkuva mekaaninen kuormitus tai pitkät huoltovälit. Tässä artikkelissa verrataan kahta metalliseosta koostumuksen, lämpötilan, hapettumisen ja hiiltymisen kestävyyden, viruma-murtumislujuuden, valmistusvaatimusten ja kokonaisomistuskustannusten suhteen, jotta insinöörit ja ostajat voivat sovittaa seoksen käyttötarkoituksen mukaan eivätkä päinvastoin.

Mikä erottaa 310S:n Incoloy 800:sta metallurgisesti?

Koostumusero on perimmäinen syy jokaiseen tässä artikkelissa käsitellyyn loppupään suorituskykyeroon. 310S sisältää kromia ensisijaisena seosaineenaan ja nikkeliä toissijaisena austeniitin stabilointiaineena, minkä vuoksi se luokitellaan ruostumattomaksi teräkseksi eikä nikkeliseokseksi. Incoloy 800 kääntää tämän suhteen: nikkeli on enemmistön seosaine, kromi on toissijainen ja rauta muodostaa tasapainon eikä ole perusmetalli. Korkeampi nikkelipitoisuus antaa 800--sarjan metalliseoksille niiden hiilen diffuusiokestävyyden ja säilyvyyden lämpötilassa – mutta nikkeli on myös kalliimpi raaka-aine, minkä vuoksi Incoloy 800 -sarjan tuotteilla on jatkuva kustannuslisä yli 310S.

Lähde: ASTM A240/A480 (310S); ASTM B407/B408/B409 ja UNS N08810 tehtaan tekniset tiedot (Incoloy 800H). Alueet ovat nimellisiä määrittelyrajoja; verrata nykyiseen tehtaan testiraporttiin.

Kahdella muulla koostumuksen yksityiskohdalla on merkitystä uunin huollon kannalta. Ensinnäkin 310S on vähän hiilidioksidipäästöjä sisältävä muunnos vakioluokan 310:stä (joka sallii jopa 0,25 % hiiltä); 310S:n alempi hiilipitoisuus parantaa herkistymisen ja rakeiden välisen korroosionkestävyyttä hitsauksen jälkeen. Toiseksi Incoloy 800H on itsessään säädelty-hiili-, säädellyn-raekokoinen{10}}muunnelma Incoloy 800:n perusversiosta, ja Incoloy 800HT tiukentaa entisestään alumiini-plus-titaanivalikoimaa - sekä parannuksia että raakoja{1}lujuuden lisäämiseksi. prosessi-lämmitinpalvelu, jota käsitellään osiossa 4.

Mikä metalliseos kestää korkeampia jatkuvatoimisia lämpötiloja?

310S on yleisesti mitoitettu jatkuvaan hapettumisenkestävyyteen noin 2 000 asteeseen (1 093 asteeseen) asti ja ajoittaiseen tai lievästi sykliseen käyttöön vastaavalla alueella korkean kromipitoisuutensa vuoksi. Käytännöllinen rajoitin 310S:lle uunin ja uunin käytössä ei ole oksidiasteikko - vaan sigma-faasin muodostuminen. Pitkäaikaisen altistuksen jälkeen noin 650–900 astetta 310-perheen ruostumattomat teräkset voivat muodostaa hauraan metallien välisen sigmafaasin, joka vähentää sitkeyttä ja sitkeyttä huoneenlämpötilassa. Laitteet, jotka kiertävät toistuvasti tämän lämpötila-alueen läpi, kuten uunin ovet ja polttimen komponentit, ovat alttiimpia tälle vaikutukselle kuin laitteet, jotka toimivat jatkuvasti lämpötila-alueen yläosassa.

Incoloy 800Hja 800HT on mitoitettu pitkäaikaiseen-käyttöön noin 1 093 asteeseen asti, ja lyhyet-kestomatkat ovat mahdollisia tätä korkeammalla lujuuden heikkenemisen ja hapettumisen kiihtymisen kustannuksella. Koska 800--sarjan seokset ovat liuoshehkutettuja vähintään 1149 asteen lämpötilassa karkeamman, viruvamman{15}}raerakenteen tuottamiseksi, ja koska niiden korkeampi nikkelipitoisuus estää saman sigma-vaiheen mekanismin, joka vaikuttaa niiden sitkeyteen ja kestävyyteen. sitkeys laajemmassa osassa uunin toiminta-aluetta, mukaan lukien toistuva lämpökierto.

Mikä seos tarjoaa paremman kestävyyden hapettuville ja hiiltyville ilmakehille?

Molempien metalliseosten hapettumisenkestävyys tulee pääasiassa kromista, joka muodostaa suojaavan kromi-oksidihilsettä korkeassa lämpötilassa. 310S sisältää itse asiassa enemmän kromia kuin Incoloy 800H (noin 25 % vs. noin 21 %), mikä on yksi syy, miksi 310S pysyy vahvana, taloudellisena aineena niin puhtaassa, hapettavassa ja polttavassa ympäristössä. laitteisto.

Hiiletysvastus on erilainen mekanismi, ja tässä nämä kaksi metalliseosta eroavat jyrkimmin. Hiilen siirtyminen metallin pinnalle hiilipitoisesta ilmakehästä riippuu suuresti nikkelipitoisuudesta, koska nikkelin liukoisuus hiileen on erittäin huono ja se hidastaa sen sisäänpäin diffuusiota. Kenttätiedot 800H-putkista hiilivety-hiiletysprosessissa osoittavat, että seos säilyttää sitkeyden ja rakenteellisen eheyden vuosien altistuksen jälkeen olosuhteissa, joissa alemman -nikkeli 310-perheen ruostumattomat teräkset hiilevät huomattavasti nopeammin. Tämä on ensisijainen syy, miksi Incoloy 800H on vakiintunut materiaali eteenipyrolyysiputkille, hiilivetykrakkausuunin komponenteille ja lämpökäsiteltyille koreille ja kalusteille, jotka näkevät toistuvia hiiletysjaksoja.

Julkaistut korroosio{0}}vertailut jalostamoiden uuniympäristöissä osoittavat eron: Incoloy 800H/800HT -seosten on mitattu noin 0,15 mm/vuosi (6,0 mpy) verrattuna noin 0,23 mm/vuosi (8,9 mpy) 310:n kestävän teräksen olosuhteissa. Pienempi korroosionopeus merkitsee suoraan komponenttien pidempää käyttöikää ja vähemmän suunnittelemattomia tarkastus- tai vaihtokatkoksia.

Miten virumis- ja jännitys{0}}repeämälujuus verrataan korkeassa lämpötilassa?

Viruminen on metallin hidasta, ajasta{0}}riippuvaa muodonmuutosta jatkuvassa kuormituksessa korkeassa lämpötilassa, ja jännitys-murtolujuus kuvaa, kuinka paljon jännitystä materiaali voi kestää ennen kuin se murtuu tietyn käyttötuntimäärän jälkeen. Tämä ominaisuus on tärkeä kaikille kuumana kuormitetuille uunin komponenteille - sisäisen paineen alaisena säteilevälle putkelle, tulenkestävälle kannattimelle tai pyrolyysiuunissa olevalle kelalle - erillään komponenteista, jotka ovat yksinkertaisesti alttiina lämmölle ilman merkittävää mekaanista kuormitusta, kuten muhvelin vuoraus tai suojus.

310S tarjoaa kohtalaisen virumis-murtumislujuuden, joka riittää kevyesti kuormitetuille komponenteille. Incoloy 800H ja 800HT on kehitetty erityisesti pidentämään ryömintä{5}}murtumisaikaa pidemmälle kuin standardit 800 tai 310-perheen ruostumattomat teräkset tarjoavat kontrolloidun hiilipitoisuuden (0,05–0,10 %) ja karkean-raeliuoksen hehkutuksen ansiosta, vähintään 1,100 2 astetta. Incoloy 800HT kiristää alumiini-ja-titaanivaatimuksia entisestään sovelluksissa, jotka vaativat pisimmän käytännöllisen käyttöiän jatkuvassa korkean lämpötilan rasituksessa, kuten eteeniuunin letkuissa ja pyrolyysikääreissä.

Lähde: koottu ASTM A240/B407/B409-spesifikaatiotiedoista ja julkaistu korkean-lämpötilan korroosion-nopeuden ja mekaanisten-ominaisuuksien tutkimuksista 310/310H:lle ja Incoloy 800H/800HT:lle jalostamo- ja uunipalveluissa. Tarkista suunnitteluluvat nykyisen ASME Section II -osan D tai sovellettavan koodiversion perusteella ennen lopullista määritystä.

Mikä on kustannusero ja milloin palkkio on perusteltu?

Nikkeli on jatkuvasti molempien materiaalien seoslisähinnoittelun suurin yksittäinen tekijä, mutta Incoloy 800H/HT sisältää noin 50 prosenttia enemmän nikkeliä painon mukaan kuin 310S, ja nikkelillä on tyypillisesti merkittävä moninkertainen määrä kromia ja rautaa, jotka muodostavat suurimman osan 310S:n seosainepitoisuudesta. Tämä tekee 800{6}}-sarjan metalliseoksista kalliimman ostoksen per-punta tai -lineaarinen jalka, ennen kuin valmistusta edes harkitaan.

Yllä olevasta teknisestä vertailusta seuraava päätöskehys on suoraviivainen. Määritä 310S, kun komponentissa on puhdas hapettava ilmakehä, kevyt tai ei mekaanista kuormitusta ja kohtalainen käyttöikä-käyttöikäodotus - uunin vaipat, ovet, tuulettimet ja ei--kuormittavat-suojukset ovat yleisiä. Määritä Incoloy 800H tai 800HT, kun komponentti on jatkuvan kuormituksen alaisena lämpötilassa, alttiina hiilihapottavalle tai sulfidoivalle ilmakehään tai kun viallisen komponentin vaihtamisen suunnittelemattomasta sammutuksesta aiheutuvat kustannukset ylittävät huomattavasti materiaalikustannushinnan - säteilyputket, prosessi{10}}lämmittimen komponentit, eteeni-halkeamiskierukat ja}pitkät polttokiinnittimet, syklit ovat yleisiä.

Miten valmistus-, hitsaus- ja lämpökäsittelyvaatimukset eroavat toisistaan?

310S on liuos-hehkutettu lämpötilassa 1 900–2 100 astetta F (1 030–1 150 astetta), jota seuraa nopea jäähdytys, mikä palauttaa karbidit liuokseen ja maksimoi korroosionkestävyyden. Jos 310-perheen laitteiden käyttö on jatkunut yli 650 astetta ja sigmavaihe on muodostunut, sitkeys voidaan yleensä palauttaa samalla ratkaisu{16}}hehkutusjaksolla; uudelleenhehkutus suunnilleen 1 000 käyttötunnin jälkeen yli 1 200 asteessa F on yleisesti mainittu huoltoväli laitteille, jotka ovat alttiita sigman muodostumiselle.

Incoloy 800H ja 800HT vaativat liuoshehkutuksen vähintään 2 100 astetta F (1 149 astetta) - huomattavasti korkeammalla kuin 310S:ssä - käytetty hehkutus erityisesti karkeamman raerakenteen tuottamiseksi (tyypillisesti ASTM-raekoko No{9}}, mikä parantaa käyttöikää tai repeää. Molemmat seokset ovat hitsattavissa tavallisilla kaasuvolframikaari- ja suojametallikaariprosesseilla yhteensopivalla tai lähes{12}}sopivalla täytemetallilla, ja molemmat ovat perinteisesti kylmämuovattuja, vaikka 800-sarjan metalliseoksilla voi olla tyypillinen pintarakenne ("appelsiinikuori") raskaan kylmämuovauksen jälkeen niiden karkeamman raekoon vuoksi.

Mikä metalliseos tulisi määrittää tavallisille uunin ja uunin komponenteille?

Lähde: Yleiset valintaohjeet, jotka perustuvat dokumentoituihin metalliseoksen ominaisuuksiin ja yleiseen teolliseen uuni-/uunikäytäntöön. Komponenttikohtaisessa valinnassa on otettava huomioon todellinen ilmakehän kemia, paineluokitus, lämpökiertotiheys ja sovellettava suunnittelukoodi.

Usein kysytyt kysymykset

K: Voidaanko 310S:ää ja Incoloy 800H:ta käyttää vaihtokelpoisesti samassa uunissa?

V: Ei yleensä. Niillä on erilaiset lämpölaajenemisnopeudet ja erilainen virumiskäyttäytyminen, joten niiden sekoittaminen yhdeksi hitsatuksi kokonaisuudeksi kuormituksen alaisena voi aiheuttaa erilaista jännitystä. Jos molemmat seokset esiintyvät samassa uunissa, niitä käytetään tyypillisesti erillisissä, itsenäisesti tuetuissa komponenteissa -, esimerkiksi 310S-kuoressa, jossa on Incoloy 800H -sisäinen letku.

K: Onko Incoloy 800 sama kuin Incoloy 800H tai 800HT?

V: Ei. Standard Incoloy 800 (UNS N08800) mahdollistaa laajemman hiilialueen, eikä se sisällä karkea-rakeiden, korkean-lämpötilan liuoshehkutusta, joka antaa 800H (UNS N08810) ja 800HT (UNS N08811) ylivoimaisen murtumislujuuden{{9}. Nykyisissä uunien ja prosessilämmittimien{11}}eritelmissä 800H ja 800HT ovat suurelta osin korvanneet standardi 800:n.

K: Vaatiiko 310S jälki-hitsauksen lämpökäsittelyä?

V: Ei sovellu korroosionkestävyyteen useimmissa uunisovelluksissa, koska 310S on matala-hiililaatu, joka kestää hyvin hitsaukseen liittyvää herkistymistä. Jos laitteet näkevät pidennetyn palvelun sigma-vaiheen-muovausalueella, säännöllinen liuoshehkutus - ei jännityksenpoisto - on sopiva korjaava hoito, ei rutiini-jälkihitsauksen vaatimus.

K: Mikä on jatkuvan 310S-palvelun käytännön lämpötilaraja?

V: Noin 2 000 astetta F (1 093 astetta) jatkuvassa hapetustoiminnassa, sillä varoituksella, että laitteet, jotka pyörivät toistuvasti 1 200–1 650 asteen F (650–900 astetta) läpi, altistuvat sigma{10}}vaiheen haurastumiselle ajan mittaan, ja ne on arvioitava uudelleen.{1} ajan mittaan.

K: Miksi nikkelipitoisuudella on niin suuri merkitys hiiltymisenkestävyyden kannalta?

V: Hiili liukenee hyvin vähän nikkeliin ja diffundoituu siihen hitaammin kuin rautaan tai kromiin. Koska Incoloy 800H sisältää noin 30–35 % nikkeliä verrattuna 310S:n noin 19–22 %:iin, hiili tunkeutuu sen pintaan hitaammin identtisissä hiiletysolosuhteissa, mikä on tärkein syy siihen, että 800H ylittää 310 perheen ruostumattomat teräkset hiiletysuunin ilmakehässä.