چگونه کسر حجمی کاربید نیوبیم اولیه (NbC) در لوله غلاف گرمکن تثبیت شده 347 مقاومت حساسیت را در طول سرویس طولانی مدت در 550 درجه در مقایسه با 316 لیتر کنترل می کند

اثر تثبیت قرار گرفتن طولانی مدت در معرض دمای بالا

برای استفاده طولانی مدت و دمای بالا (550 درجه) از لوله های گرمایش الکتریکی روکش دار، مانند بخاری های هوای صنعتی، پیش گرمکن های کوره های پتروشیمی یا تجهیزات عملیات حرارتی، انتخاب فولاد ضد زنگ 316 لیتر (کم کربن) در مقابل فولاد ضد زنگ 347 (تثبیت شده با نیوبیوم) به دلیل حساسیت قبلی آن ها در برابر حساسیت است{4}} کاربید کروم به میزان کربن کم آن (<0.03%). However even 316L can sensitise at 550 C after long service (5000-10000 hours). Carbon diffusion is sluggish, but will allow carbides to develop at grain boundaries. Type 347 has niobium (Nb, usually 10× C content, 0.3-0.8% Nb) which forms stable niobium carbide (NbC) precipitates in the grains, binding up carbon and preventing chromium depletion. The long term resistance to sensitisation is totally controlled by the volume fraction of the primary NbC (0.05-0.2%) and the fine secondary NbC which precipitates in service. Properly stabilised 347 is not sensitised at 550°C for >50000 ساعت{2}}L در 5000-10000 ساعت شروع به حساس شدن می کند. این مقاله ارتباط بین درصد حجم NbC، زمان سرویس و مقاومت حساسیت را در 347 در مقابل 316L کمیت می کند.

مکانیسم تثبیت کربن و تثبیت نیوبیم

در فولاد زنگ نزن 347 (18Cr-11Ni-Nb)، نیوبیم نسبت به کروم تمایل بیشتری به کربن دارد. در طول بازپخت محلول (1050-1100 درجه) بیشتر NbC حل می شود، اما ذرات NbC اولیه (1-5 میکرومتر) حل نشده باقی می مانند. NbC ثانویه ریز (10-50 نانومتر) در ماتریس آستنیت، عمدتاً در جابجایی ها و در دانه ها به جای مرز دانه ها، هنگام خنک شدن و در سرویس در 450-750 درجه رسوب می کند. کربن به صورت NbC گره خورده است بنابراین فعالیت کربن در ماتریس بسیار کم است. این از تشکیل کاربیدهای کروم (Cr{14}} C6) در مرزهای دانه جلوگیری می‌کند. بازده تثبیت به نسبت Nb:C (حدود 8:1 برای NbC) و کامل بودن آنیل تثبیت (معمولاً 850-900 درجه برای 2-4 ساعت پس از بازپخت محلول) بستگی دارد.

رابطه بین کسر حجمی NbC و مقاومت در برابر حساسیت در 550 درجه

لوله 347 (با غلظت‌های مختلف نیوبیم و کربن) و لوله 316 لیتری در دمای 550 درجه تا 50000 ساعت با آزمایش دوره‌ای ASTM A262 Practice A (اچ کردن اسید اگزالیک) و تمرین E (مس-سولفات مس) زمان‌های شروع ورم را تعیین کرده است:

Alloy Niobium (wt %) Carbon (wt %)Nb:C weight ratio NbC fraction Volume (%) Sensitisation time at 550°C (h) ASTM A262 Practice A after 10,000hRecommended for >10,000 hours at 550°C 316L 0 0.020 0 0 5,000-10,000 Ditch (sensitized) No 316L (extra low C) 0 0.010 0 0 10,000-20,000 Dual (transition) Marginal 347 (under-stabilized) 0.15 0.040 3.8 0.02-0.05 10,000-20,000 Dual Acceptable 347 (minimally stabilized) 0.20 0.040 5.0 0.04-0.08 20,000-30,000 Step (mostly) Recommended 347 (properly stabilized) 0.40 0.040 10 0.08-0.15 >50,000 Step Best 347 (fully stabilized) 0.60 0.040 15 0.12-0.20 >50,000 Step Best 347 (over-stabilized) 0.80 0.040 20 0.15-0.25 >50,000 (اما رشته NbC) مرحله (اما خطر فریت) احتیاط قابل قبول 347 (C بالا) 0.40 0.060 6.7 0.10-0.18 30,000-40,000 مرحله توصیه می شود
اثر بازپخت تثبیت کننده بر بارش NbC

پس از بازپخت محلول، آنیل تثبیت کننده در 850-900 درجه باعث رسوب NbC ریز و درون دانه ای می شود، تثبیت کربن را به حداکثر می رساند و از حساسیت بعدی جلوگیری می کند.

توالی عملیات حرارتی مورفولوژی NbC زمان حساس شدن در 550oC (ساعت) توصیه شده برای خدمات طولانی مدت (LTS)
محلول آنیل فقط (1050 درجه، خاموش شده با آب) فقط NbC اولیه (درشت، مقداری C در محلول) 15000-30000 قابل قبول
Solution anneal + stabilisation (850°C, 2 h)Fine intragranular NbC (most C fixed) >50000 بهترین
Solution anneal + stabilisation (900°C, 4h)>50000 Beste NbC بسیار خوب، تثبیت کامل C
تثبیت خشن بدون محلول آنیل NbC فقط (ناقص) 10000-20000 Borderline
بدون تثبیت (به عنوان جوش) مخلوط 5000-15000 توصیه نمی شود
توصیه های عملی برای انتخاب بخاری برای سرویس 550 درجه

برای عملکرد مداوم بخاری های روکش دار در 550 درجه، پارامترهای زیر برای انتخاب آلیاژ بسته به طول عمر مورد نظر اعمال می شود:

عمر سرویس مورد نظر در 550 درجه (ساعت) آلیاژ پیشنهادی حداقل تثبیت مورد نیاز ضریب هزینه مقاومت در برابر حساسیت مورد انتظار<5,000 316L (0.03%C) None Acceptable 1.0× 5,000-10,000 316L (0.02%C) or 347 (minimum)1.1×10,000-20,000 347 (well stabilised) 850°C, 2h Marginal None for 316L; stabilisation optional for 347Good 1.3× 20,000-50,000 347 (completely stabilized) 900°C, 4h Excellent 1.4× >50,000 347 + high Nb (0.6-0.8%) Full stabilisation + fine grain Best 1.5× >50000 (محیط خورنده) فولاد ضد زنگ 310 (بدون حساسیت) غیر قابل اجرا 2.0× اثربخشی تأیید تثبیت

الزامات تأیید زیر برای خریدارانی که 347 را برای خدمات طولانی مدت درجه حرارت بالا مشخص می کنند اعمال می شود:

ASTM A262 تمرین A: ساختار پله ای (مرزهای دانه صاف) پس از عمر مفید کامل مورد نظر یا پس از پیری سریع (1000 ساعت در 650 درجه)

ASTM A262 تمرین E: پاس پس از پیری (بدون ترک خوردگی پس از خم شدن)

Niobium to carbon ratio: Nb/C weight ratio >= 10 (در حالت ایده آل 12-15) در گواهی آسیاب

گواهی آنیل تثبیت: زمان و دما (یعنی. 900 درجه سانتیگراد به مدت 4 ساعت) ثبت شده است

نتیجه گیری: 347 بیش از 316 لیتر برای خدمات 550 درجه پیشرفته

Carbon diffusion in 316L stainless steel heater sheaths at 550°C leads to chromium carbide precipitation and sensitisation after 5,000-10,000 hours of operation, making it susceptible to intergranular corrosion. Type 347 (niobium stabilised) with correct ratio of Nb:C (≥10:1) and stabilisation annealing (850-900°C, 2-4 hours) is not sensitised for >50000 ساعت به دلیل رسوب دائم کربن به صورت NbC درون دانه ای. برای سرویس مداوم بالای 500 درجه با عمر مورد نیاز بیش از 5000-10000 ساعت، مهندسانی که بخاری‌های روکش دار را مشخص می‌کنند باید 347 را به جای 316 لیتر انتخاب کنند. برای سخت‌ترین کاربردها (شرایط خورنده + دمای بالا) فولاد ضد زنگ 310 (25Cr-20Ni) حتی با هزینه بالاتر مقاومت بیشتری خواهد داشت. این چارچوب به خریداران این امکان را می دهد تا با همبستگی کسر حجمی NbC با مدت زمان شروع حساسیت در 550 درجه، پایدارترین آلیاژ را برای عملکرد طولانی مدت در بخاری با دمای بالا انتخاب کنند.