گریدهای فولاد ضد زنگ 304 و 316 در مقاومت در برابر خوردگی برای کاربردهای صفحه گرمایشی چه تفاوتی دارند؟

نچسب به صفحات تفلون نیاز دارد. صفحات گرمایش فولاد ضد زنگ برای دوام و مقاومت در برابر خوردگی مورد نیاز است. دو گرید آستنیتی رایج، 304 و 316، تقریباً یکسان به نظر می‌رسند، اما از نظر مقاومت در برابر برخی عوامل خورنده، تفاوتی اساسی دارند- که می‌تواند طول عمر صفحه را تعیین کند. برای به حداقل رساندن خرابی زودهنگام و خرابی های برنامه ریزی نشده، برای مهندسان مهم است که هنگام انتخاب صفحه گرمایش برای گرمایش فرآیند صنعتی، تجهیزات آزمایشگاهی یا کاربردهای فرآوری مواد غذایی از رفتارهای خوردگی مختلف فولاد ضد زنگ 304 و 316 آگاه باشند.

ترکیب شیمیایی: نقش مولیبدن
304 و 316 هر دو فولادهای زنگ نزن آستنیتی هستند، به این معنی که ساختار کریستالی مکعبی دارند (مکعب وسط-) که شکل پذیری و دوام خوبی به آنها می دهد. هر دو حاوی کروم (کروم) و نیکل (نیکل) به عنوان عناصر آلیاژی اصلی هستند. فولاد ضد زنگ به دلیل لایه اکسید غیرفعال که کروم روی سطح ایجاد می کند، در برابر خوردگی مقاوم است. نیکل ساختار آستنیتی را تثبیت می کند و مقاومت در برابر اسیدهای کاهنده را افزایش می دهد.

تفاوت توسط مولیبدن (Mo) ایجاد می شود. گرید 304 فاقد مولیبدن است. گرید 316 دارای حدود 2-3 درصد وزنی مولیبدن است. این افزایش ظاهرا جزئی رفتار الکتروشیمیایی آلیاژ را در حضور کلریدها و اسیدهای خاص تغییر می دهد.

304 فولاد ضد زنگ - ترکیب معمولی: 18٪ کروم، 8٪ نیکل، تعادل آهن. حداکثر محتوای کربن 0.08٪ در درجه معمولی (304L کربن کمتری برای جوشکاری بهتر دارد).

316 فولاد ضد زنگ ترکیب معمولی: 16-18٪ کروم، 10-14٪ نیکل، 2-3٪ مولیبدن، آهن متعادل. افزودنی اصلی آلیاژ مولیبدن است.

همچنین غلظت نیکل در 316 به طور قابل توجهی بیشتر است (10-14% در مقابل 8-10.5% در 304) که باعث افزایش مقاومت در برابر شرایط کاهشی می شود.

چگونه مولیبدن به مقاومت در برابر خوردگی کمک می کند
مولیبدن به طرق مختلف به مقاومت در برابر خوردگی کمک می کند. این لایه اکسید غیرفعال را ضخیم می کند که منجر به ایجاد یک فیلم پایدارتر و آسیب پذیری کمتری در برابر تخریب توسط یون های کلرید می شود. مولیبدن همچنین تشکیل و گسترش حفره‌های{2}}محل‌های خوردگی موضعی کوچکی را که می‌توانند به عمق فلز نفوذ کنند، محدود می‌کند.

یک متمایز کننده اصلی عدد معادل مقاومت حفره ای (PREN) است که یک فرمول تجربی است که برای رتبه بندی مقاومت فولادهای زنگ نزن در برابر خوردگی حفره ای در محیط های حاوی کلرید استفاده می شود. فرمول معمولی برای PREN این است:

PREN=%Cr + 3.3 x %Mo + 16 x %N

برای گریدهای معمولی (بدون افزودن نیتروژن عمدی):

فولاد ضد زنگ 304: PREN ≈ 18 + 3.3 × 0 + 0=18 (معمولاً 18-19)

فولاد ضد زنگ 316: PREN ≈ 17 + 3.3 × 2.5 + 0=25.25 (معمولاً 24-26)

مقدار PREN بالاتر از 316 به معنی مقاومت بسیار بالاتر در برابر خوردگی حفره ای و شکافی است، به ویژه در شرایط گرم کلرید مانند آب دریا، نمک های یخ زدایی یا اتمسفر ساحلی.

مقایسه مقاومت در برابر خوردگی صفحات گرمایشی
علاوه بر محیط فرآیند، صفحات گرمایشی نیز در معرض دماهای بالا هستند که ممکن است خوردگی را تسریع کند. بیشتر مقایسه عملکرد صفحه گرمایش فولاد ضد زنگ 304 در مقابل 316 به مواد شیمیایی خورنده موجود بستگی دارد.

خوردگی اتمسفر به طور کلی
هر دو 304 و 316 در محیط های داخلی تمیز یا مناطق خشک در فضای باز با آلودگی کم مشابه هستند. لایه اکسید غیرفعال هنوز وجود دارد و نرخ خوردگی متوسط ​​است. 304 اغلب برای صفحات گرمایش کوره های آزمایشگاهی، بخاری های فرآیند خشک یا صفحات گرم شده در محفظه های تنظیم شده مناسب و ارزان تر است.

حفره و خوردگی شکاف ناشی از کلرید
خوردگی موضعی در صفحات گرمایش فولاد ضد زنگ اغلب توسط کلریدها (نمک ها) ایجاد می شود. منابع: پست:

اسپری آب شور یا آب دریا

نمک‌های یخ‌زدایی به تأسیسات فرآوری مواد غذایی منتقل می‌شوند

مواد پاک کننده کلر (سفید کننده، هیپوکلریت سدیم)

اسید هیدروکلریک یا کلریدهای فلزی در سیالات فرآیند

نمک پاشی (اتمسفر) از ساحل

در حضور کلریدها و اکسیژن، لایه غیرفعال روی 304 ممکن است در نقاط ضعیف (آزاد شدن، خراش یا شکاف) از کار بیفتد. هنگامی که یک گودال شروع شد، اسیدیته موضعی درون گودال روند انحلال را سرعت می بخشد. گودال‌ها می‌توانند صفحه گرمایش را در هفته‌ها یا ماه‌ها سوراخ کنند و منجر به نشت قطعات الکتریکی یا آلودگی فرآیند شوند.

فولاد ضد زنگ 316 با مولیبدن در برابر شروع گودال بسیار مقاوم تر است. این اختلاف PREN در حدود 7 نقطه به این معنی است که دمای خوردگی حفره ای (PCPT) به طور قابل ملاحظه ای بالاتر در دمای محیط در مدت زمان کوتاهی در آب دریا خورده می شود، اما 316 اساساً تحت تأثیر قرار نمی گیرد. صفحات گرمایشی که ممکن است با مواد شوینده کلر شسته شوند یا در معرض اسپری نمک قرار گیرند اکیداً توصیه می شود که از 316 ساخته شوند.

مقاومت در برابر اسید
صفحات گرمایش گاهی اوقات در تماس با مایعات صنعتی اسیدی یا محلول های تمیز کننده استفاده می شوند:

اسید سولفوریک (H2SO4) - 316 انعطاف پذیری را به ویژه در غلظت ها و دماهای متوسط ​​افزایش می دهد. مولیبدن مقاومت در برابر اسیدهای کاهنده را افزایش می دهد. با این حال، هر دو گرید در اسید سولفوریک غلیظ داغ محدود هستند.

اسید هیدروکلریک (HCl) - هیچ یک از گریدها برای مواجهه با HCl قابل توجه توصیه نمی شود، اما 316 در غلظت های پایین و دمای اتاق تا حدودی بهتر عمل می کند.

اسید نیتریک (HNO3) - هر دو 304 و 316 مقاومت خوبی در برابر اسیدهای اکسید کننده دارند مانند اسید نیتریک. 304 معمولاً در خدمات اسید نیتریک استفاده می شود زیرا مولیبدن موجود در 316 هیچ مزیتی ندارد.

اسید فسفریک (H3PO4) - 316 اغلب به دلیل غلظت مولیبدن، به ویژه در دماهای بالا مورد علاقه است.

اسید استیک و اسیدهای آلی - هر دو درجه خوب هستند، 304 به طور کلی کافی است.

در واقع، 304 اغلب برای گرم کردن صفحات در فرآوری مواد غذایی (جایی که اسیدهای آلی از میوه ها یا لبنیات وجود دارد) استفاده می شود. اگر صفحات گرمایش فرآیند شیمیایی در اسید سولفوریک یا فسفریک دارید، 316 راه حلی است.

ترک خوردگی تنشی (SCC)
ترک خوردگی تنش کلریدی می تواند فولادهای زنگ نزن آستنیتی را تحت تأثیر قرار دهد که سه شرط به طور همزمان برآورده شوند: تنش کششی (شامل تنش پسماند از تولید)، کلریدها و دماهای شدید (معمولاً بالای 60 درجه). صفحات گرمایش اغلب در تنش حرارتی قرار دارند و ممکن است کشش باقیمانده ناشی از شکل گیری یا جوشکاری داشته باشند.

هر دو 304 و 316 در برابر کلرید SCC حساس هستند، با این حال، 316 مقاومت کمی بالاتری دارد زیرا به میزان نیکل و مولیبدن بالاتر است. هیچکدام از گریدها در شرایط شدید کلرید در دماهای بالا واقعاً ایمن نیستند. در چنین تنظیماتی باید مواد بسیار آلیاژی (به عنوان مثال فولادهای ضد زنگ دوبلکس یا آلیاژهای نیکل) مورد بررسی قرار گیرند. اما، برای اکثر کاربردهای صفحه گرمایش زیر 80 درجه سانتیگراد، 316 کاهش قابل توجهی در خطر SCC در مقایسه با 304 ایجاد می کند.

نمودار مقایسه صفحات گرمایش فولاد ضد زنگ 304 در مقابل 316
304 Stainless Steel 316 Stainless Steel Property
ترکیب معمولی 18% کروم، 8% نیکل،<0.08% C 16-18% Cr, 10-14% Ni, 2-3% Mo Molybdenum Content 0% 2-3% PREN (Pitting Resistance) ~18-19 ~24-26
مقاومت حفره‌ای کلرید ضعیف تا متوسط ​​(به راحتی در آب گرم دریا یا سفیدکننده فرو می‌رود) خوب تا بسیار خوب (مقاوم در برابر سوراخ شدن در دمای محیط آب دریا)
مقاومت در برابر خوردگی شکاف ضعیف متوسط ​​(بهتر از 304، اما در شکاف های تنگ آسیب پذیر است)
مقاومت در برابر اسید سولفوریک کم (غلظت کم، دمای پایین) متوسط ​​(بهتر از 304، به ویژه با هوادهی)
مقاومت در برابر اسید نیتریک عالی عالی (بدون مزیت مو)
مقاومت در برابر اسیدهای آلی خوب خوب (کمی بهتر)
حساس به ترک خوردگی استرس (کلرید SCC) > ~60 درجه کمتر آسیب دیده (اما ایمن نیست)
حداکثر دمای سرویس مداوم در هوا ~870 درجه (خطر حساسیت در جوشکاری) ~870 درجه (مشابه)
رسانایی حرارتی (100 درجه) ~16.2 W/m{2}}K ~16.3 W/m-K
هزینه مواد کمتر (درجه پایه) بالاتر (تقریباً{0}}٪ بیشتر از 304)
استفاده متداول از صفحات گرمایشی اجاق‌های خشک گرم‌کننده‌های پردازش داخلی تجهیزات مواد غذایی (-تمیز کردن بدون کلر) صنعتی عمومی تنظیمات دریایی، تأسیسات ساحلی، تمیز کردن کلر، پردازش شیمیایی، دارویی
دستورالعمل برای استفاده عملی
وقتی 304 کافی است
صفحات گرمایش فولاد ضد زنگ درجه 304 برای موارد زیر مناسب هستند:

کاربردهای گرمایش خشک (بدون تماس با مایع یا فقط تماس با آب تمیز با محتوای کلرید کم)

محیط داخلی، آب و هوای کنترل شده، بدون قرار گرفتن در معرض نمک.

فرآوری مواد غذایی، که در آن تمیز کردن با استفاده از مواد شوینده غیرکلردار (مثلاً پاک کننده‌های کاستیک یا اسیدی-) انجام می‌شود.

صفحات داغ برای مصارف آزمایشگاهی. برای مواد غیر خورنده-.

گرمایش صنعتی عمومی که در آن صفحه در مواد خورنده غوطه ور نیست.

304 دارای مقاومت در برابر خوردگی کافی با هزینه کمتر در کاربردهای خاص است. رسانایی حرارتی بالا و شکل پذیری آلیاژ، ساخت اشکال صفحه پیچیده را تسهیل می کند.

زمان استفاده از فولاد ضد زنگ 316
در کاربردهایی که کلریدها یا اسیدهای خاص درگیر هستند، 316 به شدت ترجیح داده می شود:

تأسیسات ساحلی یا دریایی - 304 به سرعت با اسپری نمک در هوا. 316 برای گرم کردن صفحات روی کشتی‌ها، سکوهای دریایی یا نزدیک سواحل خورده می‌شوند.

غوطه ور شدن در آب شور یا دریا – بخاری های غوطه وری آب نمک باید از آلیاژهای 316 یا بالاتر مانند فوق-آستنیتی یا تیتانیوم باشند.

تمیز کردن با استفاده از ترکیبات مبتنی بر کلر - بسیاری از مشاغل غذایی و دارویی از هیپوکلریت سدیم (سفید کننده) یا دی اکسید کلر به عنوان یک ضدعفونی کننده استفاده می کنند. 304 که می تواند پس از قرار گرفتن در معرض مکرر در برابر این مواد مقاومت کند.

سیالات را با کلریدها پردازش کنید - حمام آبکاری (مانند کلرید روی)، محلول های ترشی یا آب خنک کننده با محتوای کلرید بالا.

سرویس اسید سولفوریک یا فسفریک - 316 حاشیه ایمنی بالایی را بیش از 304 در غلظت های متوسط ​​ارائه می دهد.

دمای بالا، شرایط مرطوب - تراکم کلرید-رطوبت غنی در صفحه داغ باعث ایجاد حفره می شود. 316 این خطر را به حداقل می رساند.

شایان ذکر است که 316 یک راه حل جهانی نیست. 316 حتی در شرایط بسیار شدید (مانند اسید هیدروکلریک قوی داغ، آب دریا بیش از 50 درجه) دچار خوردگی می شود. چنین شرایط سختی نیاز به آلیاژهای گرانتر (904L، Hastelloy یا تیتانیوم) دارد.

ملاحظات حرارتی و ساخت
هر دو 304 و 316 رسانایی حرارتی مشابهی دارند (حدود 16 W/m·K)، که کمتر از فولاد کربنی یا آلومینیوم است، اما برای کاربردهای صفحه گرمایشی که طراحی (هیترهای کارتریج جاسازی شده یا عناصر ریخته‌شده{3}) توزیع یکنواخت گرما را فراهم می‌کند، کافی است. ضریب انبساط حرارتی به همین ترتیب مشابه است (هر دو تقریباً 17 میکرومتر بر میلی‌کلید هستند)

تغییرات جزئی در ساخت هر دو با فرآیندهای معمولی قابل ماشینکاری، جوشکاری و شکل دهی هستند. با این حال، 316 به فشارهای برش تا حدودی بالاتری نیاز دارد و سرعت سخت شدن کار بالاتری دارد. هر دو گرید باید با استفاده از نسخه‌های کم کربن (304L و 316L) جوش داده شوند تا از ایجاد حساسیت (بارش کاربید کروم) در ناحیه تحت تأثیر گرما که مقاومت در برابر خوردگی را کاهش می‌دهد، جلوگیری شود.

با توجه به هر دو درجه، باید با احتیاط صفحات گرمایشی که در دمای بیش از 400 درجه کار می کنند، به دلیل پتانسیل پوسته پوسته شدن و از بین رفتن لایه غیرفعال پس از قرار گرفتن در معرض طولانی مدت. نه فولاد ضد زنگ نوع 304 و نه نوع 316 برای سرویس مداوم بالای 800 درجه در اتمسفرهای اکسید کننده تایید نشده است.

مسائل اقتصادی
هزینه معمولی فولاد ضد زنگ 316 30 تا 50 درصد بیشتر از 304 پوند است. هزینه افزایشی یک صفحه گرمایش می تواند برای صفحات کوچک ناچیز یا برای صفحات بزرگ و ضخیم قابل توجه باشد. اما باید به کل هزینه مالکیت فکر کنید. یک صفحه گرمایش 304 در مدت شش ماه در محیط کلرید تخریب می شود و به کار جایگزین، زمان توقف فرآیند و تمیز کردن احتمالی آلودگی نیاز دارد. هزینه اولیه بالاتر است اما یک صفحه 316 که 5 سال دوام می آورد تقریباً معمولاً ارزان تر است.

در واقع، بسیاری از مهندسان از یک قانون سرانگشتی استفاده می کنند که اگر ابهامی در مورد قرار گرفتن در معرض کلرید وجود دارد، 316 را مشخص کنید. هزینه اولیه در مقایسه با خطر خرابی زودرس ناچیز است.

در نتیجه
تفاوت اصلی بین صفحات گرمایش استنلس استیل 304 و 316 در یک عنصر - مولیبدن است. گرید 304 یک فولاد ضد زنگ نسبتاً ارزان{4}} و عمومی بدون مولیبدن است که برای استفاده در محیط های خشک یا کمی خورنده است. گرید 316، با 2{8}}3% مولیبدن، مقاومت قابل توجهی در برابر خوردگی حفره‌ای و شکاف ناشی از کلرید بهبود بخشیده و در اسیدهای سولفوریک و فسفریک عملکرد بهتری دارد.

316 ماده انتخابی برای صفحات گرمایش در تماس با آب دریا، اسپری نمک، مواد شیمیایی تمیزکننده کلردار یا مایعات فرآیند اسیدی است. افزایش هزینه مواد با طول عمر بیشتر، تعمیر و نگهداری کمتر و جلوگیری از خرابی های حفره ای فاجعه بار جبران می شود. 304 یک انتخاب کاملاً مناسب و ارزان برای کاربردهای تمیز، خشک یا داخلی که فاقد کلرید هستند، است. هنگام انتخاب مواد، محیط شیمیایی واقعی که صفحه گرمایش در آن قرار می گیرد باید در نظر گرفته شود و در برابر خطر شکست خوردگی و هزینه اولیه متعادل شود.