310S vs. Incoloy 800: Teplo-výber zliatiny odolnej pre pece a pece

Úvod

Inžinieri pecí, pecí a tepelných-spracovaní bežne čelia rovnakému rozhodnutiu o materiáli: špecifikujte nákladovo-efektívnu tepelne-nehrdzavejúcu oceľ alebo prejdite na zliatinu niklu-železa-chrómu vyrobenú pre trvalú pevnosť pri vysokých-teplotách.Nerezová oceľ 310Sa Incoloy 800 (vrátane variantov 800H a 800HT) sú dvaja najčastejšie porovnávaní kandidáti na toto rozhodnutie. Obidva odolávajú oxidácii pri vysokej teplote, obidva sa dajú ľahko vyrobiť a zvárať a obidva sa bežne vyskytujú vo dverách pecí, mufloch, sálavých rúrach a zariadeniach na tepelnú-úpravu.

Ich výkon sa však výrazne líši, akonáhle však vstúpia do úvahy nauhličovacie atmosféry, trvalé mechanické zaťaženie alebo dlhé servisné intervaly. Tento článok porovnáva tieto dve zliatiny z hľadiska zloženia, teplotnej odolnosti, odolnosti voči oxidácii a nauhličovaniu, pevnosti pri pretrhnutí-, výrobných požiadaviek a celkových nákladov na vlastníctvo, takže inžinieri a kupujúci môžu zliatinu priradiť k aplikácii a nie naopak.

Čo odlišuje 310S od Incoloy 800 metalurgicky?

Rozdiel v zložení je hlavnou príčinou každého rozdielu vo výkonnosti, o ktorom sa hovorí v tomto článku. 310S obsahuje chróm ako svoj primárny legovací prvok a nikel ako sekundárny stabilizátor austenitu, a preto je klasifikovaný ako nehrdzavejúca oceľ a nie ako zliatina niklu. Incoloy 800 prevracia tento pomer: nikel je väčšinovým legujúcim prídavkom, chróm je sekundárny a železo tvorí rovnováhu, nie je základným kovom. Vyšší obsah niklu je to, čo dodáva zliatinám radu 800- ich odolnosť voči difúzii uhlíka a ich pevnosť pri teplote – nikel je však tiež drahším vstupným materiálom, a preto majú produkty radu Incoloy 800 trvalú vyššiu cenu oproti 310S.

Zdroj: ASTM A240/A480 (310S); Špecifikácie fréz ASTM B407/B408/B409 a UNS N08810 (Incoloy 800H). Rozsahy sú nominálne špecifikačné limity; overiť podľa aktuálnej správy o skúške mlyna.

Pre obsluhu pece sú dôležité dva ďalšie detaily zloženia. Po prvé, 310S je nízkouhlíkový -variant štandardnej triedy 310 (ktorý umožňuje až 0,25 % uhlíka); nižší uhlík v 310S zlepšuje odolnosť proti senzibilizácii a medzikryštalickej korózii po zváraní. Po druhé, Incoloy 800H je sám osebe riadený-uhlíkový, kontrolovaný-zrnitý{10}}variant základnej Incoloy 800 a Incoloy 800HT ešte viac spevňuje hliníkovú-plus{14}}titánovú radu - oba vylepšenia existujú špeciálne na zvýšenie pevnosti{16}tečenia{16}tečenia{10} služba, o ktorej sa hovorí v časti 4.

Ktorá zliatina odolá vyšším trvalým prevádzkovým teplotám?

310S je bežne hodnotený pre stálu odolnosť proti oxidácii do približne 2 000 stupňov F (1 093 stupňov) a pre prerušovanú alebo mierne cyklickú prevádzku v podobnom rozsahu vďaka vysokému obsahu chrómu. Praktický obmedzovač pre 310S v prevádzke pece a pece nie je oxidový kameň -, ale sigma-fáza. Po dlhšom vystavení medzi približne 1 200 ° F a 1 650 ° F (650 – 900 ° ), 310-rodina nehrdzavejúcich ocelí môže vytvárať krehkú intermetalickú sigma fázu, ktorá znižuje húževnatosť a ťažnosť pri izbovej teplote. Zariadenia, ktoré opakovane prechádzajú týmto teplotným pásmom, ako sú dvierka pece a komponenty horákov, sú viac vystavené tomuto efektu ako zariadenia, ktoré nepretržite pracujú na vrchole teplotného rozsahu.

Incoloy 800Ha 800HT sú dimenzované na dlhodobú-prevádzku až do približne 2 000 stupňov F (1 093 stupňov ), pričom krátke -výkyvy sú možné nad túto hranicu za cenu zrýchlenej straty pevnosti a oxidácie. Pretože zliatiny radu 800-sú žíhané v roztoku-pri teplote minimálne 2 100 stupňov F (1 149 stupňov), aby sa vytvorila hrubšia štruktúra zŕn odolnejšia voči tečeniu, a keďže ich vyšší obsah niklu potláča rovnaký sigma-fázový mechanizmus, ktorý ovplyvňuje 310S časť použiteľnosti a húževnatosti v širšom rozsahu pece, majú tendenciu zachovať si časť použiteľnosti a húževnatosti vrátane opakovaného tepelného cyklovania.

Ktorá zliatina ponúka lepšiu odolnosť voči oxidácii a nauhličovaniu?

Odolnosť voči oxidácii v oboch zliatinách pochádza predovšetkým z chrómu, ktorý tvorí ochrannú vrstvu-oxidu chrómu pri vysokej teplote. 310S v skutočnosti nesie viac chrómu ako Incoloy 800H (približne 25 % oproti približne 21 %), čo je jeden z dôvodov, prečo 310S zostáva silným a ekonomickým výkonom vo vzduchových peciach s oxidačným prostredím, kil. kil.

Odolnosť proti nauhličovaniu je odlišný mechanizmus a tu sa tieto dve zliatiny rozchádzajú najostrejšie. Prenos uhlíka do kovového povrchu z atmosféry bohatej na uhlík-veľmi závisí od obsahu niklu, pretože nikel má veľmi nízku rozpustnosť pre uhlík a spomaľuje jeho difúziu dovnútra. Údaje v teréne o hadičkách 800H pri nauhličovaní uhľovodíkových-služieb spracovania ukazujú, že zliatina si po rokoch vystavenia zachováva ťažnosť a štrukturálnu integritu v podmienkach, kde nehrdzavejúce ocele z radu -niklu 310-sa nauhličujú merateľne rýchlejšie. Toto je hlavný dôvod, prečo je Incoloy 800H pôvodným materiálom pre etylénové pyrolýzne rúrky, komponenty pecí na krakovanie uhľovodíkov a koše a prípravky na tepelné spracovanie, ktoré sa opakujú nauhličovacie cykly.

Publikované porovnania korózie-v prostrediach rafinérskych pecí ilustrujú medzeru: Zliatiny Incoloy 800H/800HT boli namerané pri približne 0,15 mm/rok (6,0 mpy) oproti približne 0,23 mm/rok (8,9 mpy) pre nehrdzavejúcu oceľ z rodiny 310 za porovnateľných podmienok. Nižšia rýchlosť korózie sa priamo premieta do dlhšej životnosti komponentov a menšieho počtu neplánovaných výpadkov kvôli kontrole alebo výmene.

Ako sa porovnáva tečenie a stres-pri zvýšenej teplote?

Tečenie je pomalá, na čase{0}}závislá deformácia kovu pri trvalom zaťažení pri vysokej teplote, a pevnosť pri pretrhnutí-napätím popisuje, aké veľké napätie môže materiál uniesť, kým sa po určitom počte prevádzkových hodín zlomí. Táto vlastnosť je dôležitá pre akýkoľvek komponent pece, ktorý je za tepla zaťažený - sálavou trubicou pod vnútorným tlakom, závesom podopierajúcim žiaruvzdorný materiál alebo cievkou v pyrolýznej peci -, na rozdiel od komponentov, ktoré sú jednoducho vystavené teplu bez významného mechanického zaťaženia, ako je vložka mufle alebo štít.

310S ponúka miernu pevnosť pri tečení-, dostatočnú pre málo zaťažené komponenty. Incoloy 800H a 800HT boli špeciálne vyvinuté na predĺženie životnosti pri tečení nad rámec toho, čo poskytujú štandardné nehrdzavejúce ocele rodiny 800 alebo 310-, a to prostredníctvom kontrolovaného obsahu uhlíka (0,05 – 0,10 %) a hrubozrnného žíhania pri minimálnom stupňoch F9 (14100). Incoloy 800HT okrem toho ešte viac sprísňuje hliníkové-a{19}}titánové špecifikácie pre aplikácie vyžadujúce čo najdlhšiu praktickú životnosť pri trvalom vysokoteplotnom namáhaní, ako sú rúry na etylénové pece a pyrolýzne cievky.

Zdroj: Zostavené z údajov špecifikácie ASTM A240/B407/B409 a publikovaných štúdií vysokej-vysokoteplotnej korózie-a mechanických{5}}vlastností pre 310/310H a Incoloy 800H/800HT v službách rafinérií a pecí. Pred konečnou špecifikáciou overte prípustné konštrukčné prvky podľa aktuálnej časti D ASME oddielu II alebo platného vydania kódu.

Aký je rozdiel v nákladoch a kedy je prémia opodstatnená?

Nikel je trvalo najväčším jediným hnacím motorom tvorby príplatkov za zliatinu pre oba materiály, ale Incoloy 800H/HT nesie približne o 50 percent viac niklu ako 310S a nikel sa zvyčajne obchoduje s významným násobkom chrómu a železa, ktoré tvoria väčšinu obsahu zliatiny 310S. Vďaka tomu sú zliatiny radu 800{6}}drahšie na nákup na-libru alebo-lineárnu stopu, ešte predtým, než sa vôbec uvažuje o výrobe.

Rozhodovací rámec, ktorý vyplýva z vyššie uvedeného technického porovnania, je jednoduchý. Špecifikujte 310S, keď komponent zaznamená čistú oxidačnú atmosféru, ľahké alebo žiadne mechanické zaťaženie a strednú{2}}predpokladanú životnosť - plášte pecí, dvierka, ventilátory a ne-záťaž-nosné štíty sú bežné. Špecifikujte Incoloy 800H alebo 800HT, keď je súčiastka pod trvalou záťažou pri teplote, je vystavená nauhličovacej alebo sulfidizačnej atmosfére, alebo keď náklady na neplánovanú odstávku na výmenu chybnej súčiastky výrazne prekračujú materiálové náklady na prémiové - sálavé trubice, procesné-komponenty ohrievačov, etylénové krakovacie špirály1} upínače na praskanie etylénu s dlhými cyklami na krakovanie} a karburátory{1}.

Ako sa líšia požiadavky na výrobu, zváranie a tepelné spracovanie?

310S je roztokové-žíhanie v rozsahu 1 900 – 2 100 stupňov F (1 030 – 1 150 stupňov), po ktorom nasleduje rýchle ochladenie, ktoré vráti karbidy späť do roztoku a maximalizuje odolnosť proti korózii. Ak vybavenie rodiny 310-predĺžilo prevádzku nad 1200 stupňov F (650 stupňov) a vytvorila sa fáza sigma, ťažnosť možno vo všeobecnosti obnoviť pomocou rovnakého cyklu{16}}žíhania; opätovné žíhanie po približne každých 1 000 hodinách prevádzky nad 1 200 stupňov F je bežne uvádzaný interval údržby pre zariadenia náchylné na tvorbu sigma.

Incoloy 800H a 800HT vyžadujú rozpúšťacie žíhanie pri minimálnej teplote 2 100 stupňov F (1 149 stupňov) - zreteľne vyššej ako žíhanie používané pre 310S - špeciálne na vytvorenie hrubšej štruktúry zŕn (zvyčajne veľkosti zrna ASTM No. 5 alebo hrubšie), ktorá zlepšuje životnosť{10}. Obe zliatiny sú zvárateľné štandardným plynovým volfrámovým oblúkom a procesom s ochranným kovovým oblúkom so zhodným alebo takmer{12}}zhodným prídavným kovom a obe sú konvenčne tvarované za studena, hoci zliatiny radu 800 môžu po silnom tvárnení za studena vykazovať charakteristickú povrchovú štruktúru ("pomarančová kôra") v dôsledku ich hrubšej zrnitosti.

Ktorú zliatinu by ste mali špecifikovať pre bežné komponenty pecí a pecí?

Zdroj: Všeobecný návod na výber založený na zdokumentovaných vlastnostiach zliatiny a bežnej praxi priemyselných pecí. Výber konkrétneho-komponentu by mal zohľadňovať chémiu skutočnej atmosféry, menovitý tlak, frekvenciu tepelných cyklov a príslušný konštrukčný kód.

Často kladené otázky

Otázka: Môžu sa 310S a Incoloy 800H používať zameniteľne v tej istej peci?

A: Vo všeobecnosti nie. Majú rôznu rýchlosť tepelnej rozťažnosti a odlišné správanie pri tečení, takže ich zmiešanie v jednej zváranej zostave pri zaťažení môže vytvoriť rozdielne napätie. Ak sa obe zliatiny vyskytujú v tej istej peci, zvyčajne sa používajú v samostatných, nezávisle podporovaných komponentoch -, napríklad v plášti 310S s vnútorným potrubím Incoloy 800H.

Otázka: Je Incoloy 800 rovnaký ako Incoloy 800H alebo 800HT?

Odpoveď: Nie. Štandardná trieda Incoloy 800 (UNS N08800) umožňuje širší rozsah uhlíka a neprenáša hrubozrnné, vysokoteplotné žíhanie pri vysokej teplote, ktoré dáva 800H (UNS N08810) a 800HT (UNS N08811) ich vynikajúcu}}pevnosť pri tečení{9. V súčasných špecifikáciách pecí a procesných{11}}ohrievačov 800H a 800HT vo veľkej miere nahradili štandard 800.

Otázka: Vyžaduje 310S tepelné spracovanie po-zváraní?

Odpoveď: Nie pre odolnosť voči korózii vo väčšine aplikácií pecí, pretože 310S je nízko-karbónová trieda s dobrou odolnosťou voči senzibilizácii súvisiacou so zváraním-. Ak zariadenie zažije rozšírenú službu v sigma -fázovom{5}}rozsahu tvarovania, vhodnou nápravnou liečbou je pravidelné rozpúšťacie žíhanie -, nie zmiernenie napätia -, nie rutinná požiadavka po-zvarení.

Otázka: Aký je praktický teplotný limit pre nepretržitú službu 310S?

Odpoveď: Približne 2 000 stupňov F (1 093 stupňov ) pre nepretržitú oxidáciu s výhradou, že zariadenie, ktoré opakovane cykluje v rozsahu 650 až 900 stupňov, je vystavené sigma-fázovému skrehnutiu a malo by sa pravidelne vyhodnocovať11}.

Otázka: Prečo je obsah niklu taký dôležitý pre odolnosť proti nauhličovaniu?

Odpoveď: Uhlík má veľmi nízku rozpustnosť v nikle a difunduje doň pomalšie ako do železa alebo chrómu. Pretože Incoloy 800H obsahuje približne 30 – 35 % niklu oproti zhruba 19 – 22 % pre 310S, uhlík preniká jeho povrchom pomalšie za rovnakých podmienok nauhličovania, čo je hlavný dôvod, prečo 800H prekonáva nehrdzavejúce ocele z rodiny 310 v atmosfére nauhličovacej pece.