چرا درصد محتوای سیلیکون در لوله غلاف بخاری فولادی ضد زنگ 316 زیر 0.4٪ مقاومت اکسیداسیون را در 650 درجه در سرویس هوایی کاهش می دهد؟

عنصر آلیاژی جزئی با تأثیر عمده بر چسبندگی مقیاس درجه حرارت بالا

برای لوله های گرمایش الکتریکی که در فولاد ضد زنگ 316 پیچیده شده اند و در دمای بالا (650 درجه) در سرویس هوا کار می کنند، محتوای سیلیکون (به طور معمول حداکثر 0.75٪ توسط ASTM A240 تعیین می شود) یک عامل مهم اما اغلب نادیده گرفته شده در مقاومت در برابر اکسیداسیون است. سطوح سیلیکون کمتر از 0.4٪ یک مقیاس اکسید غنی از آهن در حال توسعه سریع تولید می کند که به راحتی می ریزد و عمر غلاف را 3-5 برابر در مقایسه با مواد حاوی 0.6-1.0٪ سیلیکون کاهش می دهد. سیلیکون تولید یک پوشش نازک پیوسته از سیلیس آمورف یا نانوبلور (SiO2) را در تماس مقیاس-فلز تسهیل می کند. این لایه سیلیسی به عنوان یک مانع انتشار عمل می کند و انتشار کاتیون های آهن و کروم به بیرون و انتشار آنیون های اکسیژن به داخل را به تاخیر می اندازد. این مقاله کمی از رابطه بین غلظت سیلیکون، سینتیک اکسیداسیون و رفتار پوسته پوسته شدن برای 316 غلاف در 650 درجه ارائه می‌کند. این یک چارچوب مشخصات برای کاربردهای گرم کن هوا با دمای بالا را ارائه می دهد.

نقش سیلیکون در تشکیل خرده مقیاس سیلیس

در طی اکسیداسیون دمای بالا فولاد ضد زنگ 316، کروم و آهن به بیرون پخش می شود تا مقیاس بیرونی Cr2O3/Fe2O3 ایجاد شود و اکسیژن به داخل پخش می شود. در محتویات سیلیکونی بیش از ~ 0.4-0.5٪، سیلیکون ترجیحاً در تماس مقیاس-فلز اکسید می شود تا یک لایه نازک (0.1-1.0 میکرومتر) سیلیس آمورف پیوسته ایجاد کند. این پوشش از سیلیس دو خاصیت دفاعی دارد. اولاً، ضریب انتشار کروم در SiO2 تقریباً سه مرتبه کمتر از Cr2O3 است، که سرعت اکسیداسیون را به شدت کاهش می‌دهد{14} سیلیس با ایجاد یک لایه «چسب» که عدم تطابق انبساط حرارتی را جذب می‌کند، چسبندگی مکانیکی مقیاس خارجی را افزایش می‌دهد. در مورد سیلیکون زیر 0.4 درصد، لایه سیلیس ناپیوسته یا از بین رفته است و مقیاس خارجی با انتشار مستقیم کاتیون از طریق Cr2O به سرعت بالا می‌رود{18}} مقیاس تشکیل‌شده متخلخل‌تر، ضخیم‌تر است و به راحتی در اثر چرخه حرارتی پاره می‌شود.

تأثیر محتوای Si بر رفتار اکسیداسیون در 650 درجه: رابطه کمی

آزمایش اکسیداسیون چرخه‌ای کنترل‌شده (سیکل‌های 1 ساعته در 650 درجه در هوا، خنک‌کردن هوای اجباری تا 100 درجه بین چرخه‌ها) روی لوله‌های 316 با محتوای سیلیکون متنوع، محدودیت‌های عملکردی مشخصی را ایجاد کرده است.

محتوای سیلیکون (wt%) محتوای کروم (wt%) لایه پیوسته سیلیس؟ نرخ اکسیداسیون (mg/cm²/hr) بعد از 500 سیکل شروع پوسته پوسته شدن مقیاس (چرخه تا اولین ریزش قابل مشاهده) اتلاف فلز پس از 5000 چرخه (μm) برای سرویس 650 درجه هوا توصیه می شود<0.2 >16 خیر (غایب) 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 پیوسته (0.2-0.5 میکرومتر) 0.03-0.06 1,000-2،500 30-60 توصیه می‌شود
0.6-0.8 17-19 پیوسته، ثابت (0.5-1.0 میکرومتر) 0.02-0.04 2،500-5،000 20-40بهترین برای دوام
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
برهمکنش سیلیکون و مولیبدن در اکسیداسیون

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٪، زیر مقیاس سیلیس پیوسته از رسیدن مولیبدن به سطح خارجی جلوگیری می کند و تبخیر MoO{sub 3} را سرکوب می کند. تبخیر مولیبدن در سطوح سیلیکون زیر 0.4 درصد افزایش می یابد که منجر به اختلال در مقیاس سریعتر و اکسیداسیون سریعتر می شود. برای غلاف 316 برای سرویس بالای 600 درجه، محتوای سیلیکون باید در قسمت بالای محدوده ASTM (0.6-1.0٪) مشخص شود تا اثر نامطلوب مولیبدن جبران شود.

تعریف محتوای سیلیکونی برای کاربردهای گرمکن با دمای بالا

بر اساس عمر تخمینی و فرکانس چرخه حرارتی، الزامات سیلیکونی زیر برای 316 بخاری روکش دار که در 650 درجه در هوا یا گازهای احتراق اکسید کننده کار می کنند توصیه می شود:

وضعیت سرویس دمای غلاف (درجه) سیکل های حرارتی در روز حداقل محتوای سیلیکون (wt%) محدوده سیلیکون توصیه شده (wt%) آلیاژ جایگزین اگر نیازهای سیلیکونی برآورده نشود
به طور مداوم اجرا کنید، هر از گاهی 600-650 چرخه بزنید<1 0.50 0.60-0.80 310 stainless steel
دوچرخه‌سواری خفیف متناوب 600-650 1-10 0.60 0.70-1.00 310 ss یا Inconel 600
Frequent cycling (>10/day) 550-600 >10 0.60 0.70-1.00 اینکونل 600
سرویس مستمر 650-700<1 >0.70 (316 توصیه نمی شود) 0.80-1.00 310 یا Inconel مورد نیاز است
550-650 هر 0.70 0.80-1.00 Inconel 600 توصیه می شود هر سرویسی که گوگرد در اتمسفر وجود دارد تأیید محتوای سیلیکون و عملکرد اکسیداسیون

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 میکرومتر نشان می دهد که سیلیکون کافی است. بالاترین اطمینان زمانی که هر سه تأیید مورد نیاز است. برای کاربردهای مهم

تشخیص میدانی تجزیه کم اکسیداسیون سیلیکون

For 316 sheaths that have failed in 600-650°C air service, suspect low silicon content if the scale is thick (>200 میکرومتر)، غیر-چسبنده (در لمس) و مایل به قرمز-قهوه ای (Fe2O3) به جای سبز مایل به-سیاه (Cr2O3). اگر فلز پایه ناکافی بود، میکروسکوپ الکترونی یا بررسی EDS مقیاس-واسط فلز هیچ سطح سیلیکونی یا سیلیکونی کمتر از 0.2% را نشان نمی‌دهد. غلاف خراب 200 تا 500 میکرومتر از دست دادن فلز (زبری و نازک شدن شدید) را در مقایسه با 20 تا 50 میکرومتر برای مواد با سیلیکون مناسب نشان می دهد. حالت شکست افزایش نازک شدن دیوار با پوسته شدن و در نهایت شکاف طولی زمانی است که دیوار باقیمانده دیگر نمی تواند فشار داخلی را تحمل کند.

نتیجه‌گیری: پارامتر دمای بالا بحرانی سیلیکون

مقاومت اکسیداسیون بخاری های 316 فولاد ضد زنگ در سرویس هوا در 650 درجه به طور مستقیم توسط پارامتر آلیاژی محتوای سیلیکون کنترل می شود. با محتویات سیلیکون زیر 0.4 درصد، اکسیداسیون سریع و غیر{4}}حفاظتی است و رسوب به‌طوری پاشیده می‌شود که طول عمر بخاری از 20000 ساعت به 3000-5000 ساعت کاهش می‌یابد{10}} درصد سیلیکون برای تولید یک زیرمقیاس سیلیسی پیوسته که با افزایش دو بیتی اکسیداسیون به تاخیر می‌افتد، اضافه می‌شود. هر برنامه ای که دمای غلاف از 550 درجه بیشتر شود، به حداقل غلظت سیلیکون 0.50٪ نیاز دارد و برای حداکثر کارایی 0.60-0.80٪ توصیه می شود. برای سرویس مداوم در 650 درجه یا بالاتر از هر سرویس بیش از 700 درجه بهتر است به جای اینکه به 316 حتی با سیلیکون بالا وابسته باشید، به فولاد ضد زنگ 310 یا Inconel 600 ارتقا دهید. با همبستگی درصد سیلیکون با نرخ‌های اکسیداسیون قابل اندازه‌گیری و شروع پوسته شدن، رویکرد پیشنهادی در اینجا به خریداران اجازه می‌دهد 316 غلاف را مشخص کنند که یکپارچگی مقیاس محافظ را در دماهای بالا حفظ می‌کند.