310S לעומת Incoloy 800: חום-בחירת סגסוגת עמידה עבור יישומי תנור וכבשן

מָבוֹא

מהנדסי תנורים, כבשנים ועיבוד-תרמיים מתמודדים באופן שגרתי עם אותה החלטת חומר: ציין פלדת אל-חלד עמידה-חסכונית בחום-, או שלב סגסוגת ניקל-ברזל-כרום שנבנתה לחוזק מתמשך בטמפרטורות-.נירוסטה 310Sו-Incoloy 800 (כולל גרסאות 800H ו-800HT) הם שני המועמדים הנפוצים ביותר בהשוואה להחלטה זו. שניהם מתנגדים לחמצון בטמפרטורה גבוהה, שניהם מיוצרים ומרותכים בקלות, ושניהם מופיעים באופן שגרתי בדלתות תנורים, מאפלים, צינורות קורנים ומתקני טיפול בחום.-

הביצועים שלהם משתנים בחדות, עם זאת, ברגע שנכנסים לתמונה אטמוספרות קרבורציה, עומס מכני מתמשך או מרווחי שירות ארוכים. מאמר זה משווה את שתי הסגסוגות על פני הרכב, יכולת טמפרטורה, עמידות לחמצון וקרבוריזציה, חוזק קרע בזחילה, דרישות ייצור ועלות בעלות כוללת, כך שמהנדסים וקונים יכולים להתאים את הסגסוגת ליישום ולא להיפך.

מה מבדיל את 310S מ-Inkoloy 800 מבחינה מטלורגית?

ההבדל בהרכב הוא הסיבה העיקרית לכל הבדל ביצועים במורד הזרם שנדון במאמר זה. 310S נושאת כרום כאלמנט הסגסוג העיקרי שלו וניקל כמייצב אוסטניט משני, וזו הסיבה שהיא מסווגת כפלדת אל חלד ולא כסגסוגת ניקל. Incoloy 800 הופך את היחס הזה: ניקל הוא תוספת הסגסוגת ברובה, כרום הוא משני, וברזל מהווה את האיזון במקום להיות המתכת הבסיסית. תכולת הניקל הגבוהה יותר היא מה שנותן לסגסוגות מסדרת 800-את העמידות שלהן בפני דיפוזיה של פחמן וחוזק הנשמר שלהן בטמפרטורה - אבל ניקל הוא גם הקלט של חומר הגלם היקר יותר, וזו הסיבה שמוצרי אינקולוי מסדרת 800 נושאים פרמיית עלות מתמשכת מעל 310S.

מקור: ASTM A240/A480 (310S); מפרטי טחנות ASTM B407/B408/B409 ו-UNS N08810 (Incoloy 800H). טווחים הם מגבלות מפרט נומינלי; לאמת מול דוח בדיקת הטחנה הנוכחי.

שני פרטי הרכב אחרים חשובים עבור שירות התנורים. ראשית, 310S הוא גרסת פחמן נמוכה- מדרגה סטנדרטית 310 (המאפשרת עד 0.25% פחמן); הפחמן התחתון ב-310S משפר את העמידות בפני רגישות וקורוזיה בין-גרגירית לאחר ריתוך. שנית, Incoloy 800H הוא בעצמו גרסה מבוקרת-פחמן, בגודל גרגר-מבוקרת של בסיס Incoloy 800, ו-Incoloy 800HT מהדק עוד יותר את טווח האלומיניום-ועוד-טיטניום - קיים{15}} חוזק{1} של שני חידודים ושירות חימום תהליכי-, אשר נדון בסעיף 4.

איזו סגסוגת עמידה בטמפרטורות עבודה רציפות גבוהות יותר?

310S מדורג בדרך כלל עבור עמידות חמצון מתמשכת עד כ-2,000 מעלות F (1,093 מעלות) ולשירות לסירוגין או מחזורי קל בטווח דומה, בשל תכולת הכרום הגבוהה שלו. המגביל המעשי עבור 310S בשירותי תנורים וכבשנים אינו אבנית התחמוצת - אלא היווצרות שלב סיגמא-. לאחר חשיפה ממושכת בין בערך 1,200 מעלות פרנהייט ל-1,650 מעלות פרנהייט (650-900 מעלות), פלדות אל חלד משפחתיות 310- יכולות ליצור שלב סיגמה בין-מתכתי שביר שמפחית את הקשיחות והמשיכות בטמפרטורת החדר. ציוד שעובר דרך רצועת הטמפרטורה הזו שוב ושוב, כגון דלתות תנור ורכיבי מבערים, חשוף יותר להשפעה זו מאשר ציוד הפועל ברציפות בחלק העליון של טווח הטמפרטורות.

Incoloy 800Hו-800HT מדורגים עבור שירות-לטווח ארוך עד ל-2,000 מעלות פרנהייט בקירוב (1,093 מעלות), עם טיולים קצרים-אפשריים מעל זה במחיר של אובדן חוזק מואץ וחמצון. מכיוון שהסגסוגות מסדרת 800-מתוסכלות-במינימום של 2,100 מעלות F (1,149 מעלות ) כדי לייצר מבנה גרגר גס יותר ועמיד יותר לזחילה, ומכיוון שתכולת הניקל הגבוהה יותר שלהן מדכאת את אותו מנגנון של שלב סיגמא לרוחב 310 שמשפיע על כושר ההישמרות והעמידות שלנו. חלק רחב יותר מטווח הפעולה של התנור, כולל באמצעות רכיבה תרמית חוזרת.

איזו סגסוגת מציעה עמידות טובה יותר בפני אטמוספירות מחמצנות ופחמימות?

עמידות החמצון בשתי הסגסוגות מגיעה בעיקר מכרום, שיוצר אבנית מגן כרום-תחמוצת בטמפרטורה גבוהה. 310S למעשה נושאת יותר כרום מאשר Incoloy 800H (בערך 25% לעומת בערך 21%), וזו אחת הסיבות לכך ש-310S מבצעת אטמוספירה חזקה וחסכונית יותר באוויר. קונכיות כבשן, וחומרת מבערים.

ההתנגדות לקרבור היא מנגנון שונה, וכאן שתי הסגסוגות מתפצלות בצורה החדה ביותר. העברת פחמן למשטח המתכת מאווירה עשירה בפחמן-תלויה במידה רבה בתכולת הניקל, מכיוון שלניקל יש מסיסות נמוכה מאוד לפחמן ומאט את הדיפוזיה פנימה שלו. נתוני שדה על צינורות 800H בשירות עיבוד פחמימנים-מפחמימים מראים שהסגסוגת שומרת על גמישות ושלמות מבנית לאחר שנים של חשיפה, בתנאים שבהם פלדות אל-חלד ממשפחת -ניקל 310-תחתונה מתקרבות מהר יותר למדידה. זוהי הסיבה העיקרית שבגללה Incoloy 800H הוא החומר הקיים עבור צינורות פירוליזה של אתילן, רכיבים של תנורי פיצוח פחמימניים, וסלים ומכשירים לטיפול בחום שרואים מחזורי קרבוריזציה חוזרים.

השוואות של-שיעורי קורוזיה שפורסמו בסביבות של תנורי זיקוק ממחישות את הפער: סגסוגות Incoloy 800H/800HT נמדדו ב-0.15 מ"מ לשנה בקירוב (6.0 mpy), לעומת כ-0.23 מ"מ לשנה (8.9 mpy) עבור פלדת אל-חלד הניתנת ל-310 משפחה. שיעור קורוזיה נמוך יותר מתורגם ישירות לחיי רכיב ארוכים יותר ולפחות הפסקות לא מתוכננות לבדיקה או להחלפה.

כיצד משתווים זחילה ומתח-עוצמת הקרע בטמפרטורה מוגברת?

זחילה היא העיוות האיטי-תלוי בזמן של מתכת בעומס מתמשך בטמפרטורה גבוהה, וחוזק הפריצה-מתאר כמה מתח יכול חומר לשאת לפני שהוא נשבר לאחר מספר נתון של שעות שירות. תכונה זו חשובה עבור כל רכיב של תנור שנמצא תחת עומס בעודו חם - צינור קורן בלחץ פנימי, מתלה התומך בחומר עקשן, או סליל בתנור פירוליזה - להבדיל מרכיבים שפשוט חשופים לחום ללא עומס מכני משמעותי, כגון מגן מגן או מגן.

310S מציע חוזק קרע-מתון, מתאים לרכיבים נטענים קלות. Incoloy 800H ו-800HT פותחו במיוחד כדי להאריך את חיי קרע זחילה מעבר למה שמספקות פלדות אל-חלד סטנדרטיות 800 או 310-, באמצעות תכולת פחמן מבוקרת (0.05–0.10%) וחישול תמיסת גרגר גס-בדרגה 10192 מעלות לפחות (10192 מעלות, 10192 מעלות). Incoloy 800HT מהדק את מפרט האלומיניום-ו-הטיטניום נוסף על כך, עבור יישומים הדורשים את חיי השירות המעשיים הארוכים ביותר תחת לחץ מתמשך של טמפרטורות גבוהות, כגון צינורות תנור אתילן וסלילי פירוליזה.

מקור: נאסף מנתוני מפרט ASTM A240/B407/B409 ופורסם בשיעור-קורוזיה-בטמפרטורה גבוהה ומחקרי מאפיינים מכניים- עבור 310/310H ו-Incoloy 800H/800HT בשירות בתי זיקוק ותנורים. אמת את מותרות התכנון מול ASME Section II Part D הנוכחי או מהדורת הקוד הרלוונטית לפני המפרט הסופי.

מה ההבדל בעלויות ומתי הפרימיום מוצדק?

ניקל הוא בעקביות המניע הגדול ביותר של תמחור סגסוגת נוספת עבור שני החומרים, אבל Incoloy 800H/HT נושא בערך 50 אחוז יותר ניקל במשקל מאשר 310S, וניקל נסחר בדרך כלל בכפולה משמעותית של הכרום והברזל המרכיבים את רוב תכולת הסגסוגת של 310S. זה הופך את הסגסוגות מסדרת 800-לרכישה היקרה יותר על בסיס לכל-פאונד או לכל-רגל ליניארי, עוד לפני ששוקלים ייצור.

מסגרת ההחלטה הנובעת מההשוואה הטכנית לעיל היא פשוטה. ציין 310S כאשר הרכיב רואה אווירת חמצון נקייה, עומס מכני קל או ללא, ותוחלת חיים מתונה -תוחלת - קונכיות כבשנים, דלתות, מאווררים ומגנים ללא עומס- הם התאמה נפוצה. ציין את Incoloy 800H או 800HT כאשר הרכיב נמצא תחת עומס מתמשך בטמפרטורה, חשוף לאטמוספרה מקרבת או גופרתי, או כאשר העלות של השבתה לא מתוכננת להחלפת רכיב כושל עולה במידה ניכרת על פרמיית עלות החומר - צינורות קרינה, רכיבי קרינה,{10}}רכיבי חימום{10}ואתילן חום{1}. מתקנים עם מחזורי קרבור ארוכים הם התאמות נפוצות.

כיצד נבדלות דרישות ייצור, ריתוך וטיפול בחום?

310S הוא תמיסה-מחושלת בטווח של 1,900-2,100 מעלות F (1,030-1,150 מעלות) ואחריו קירור מהיר, שמחזיר את הקרבידים לתמיסה וממקסם את עמידות בפני קורוזיה. אם הציוד המשפחתי של 310- ראה שירות מורחב מעל 1,200 מעלות פרנהייט (650 מעלות) ונוצר שלב סיגמא, ניתן בדרך כלל לשחזר את המשיכות עם אותו מחזור חישול-; חישול מחדש לאחר בערך כל 1,000 שעות שירות מעל 1,200 מעלות פרנהייט הוא מרווח תחזוקה נפוץ לציוד הנוטה להיווצרות סיגמה.

Incoloy 800H ו-800HT דורשים חישול תמיסה במינימום של 2,100 מעלות F (1,149 מעלות) - גבוה באופן ניכר מהחישול המשמש עבור 310S - במיוחד כדי לייצר מבנה גרגר גס יותר (בדרך כלל ASTM גודל גרגר ללא{{9}{1} משפרים את חיי הקריפ. שתי הסגסוגות ניתנות לריתוך באמצעות תהליכים סטנדרטיים של קשת טונגסטן גז וקשת מתכת מסוככת עם מתכת מילוי תואמת או קרובה ל-התאמת, ושתיהן נוצרות בצורת- קרה באופן קונבנציונלי, אם כי הסגסוגות מסדרת 800 יכולות להראות מרקם משטח אופייני ("קליפת תפוז") לאחר היווצרות גרגר קר כבד בשל גודלן.

איזו סגסוגת עליך לציין עבור רכיבי תנור וכבשן נפוצים?

מקור: הנחיות בחירה כלליות המבוססות על מאפיינים מתועדים של סגסוגת ופרקטיקה נפוצה של תנור/כבשן תעשייתי. הבחירה הספציפית לרכיבים-צריכה לקחת בחשבון את הכימיה בפועל של האטמוספרה, דירוג הלחץ, תדירות הרכיבה התרמית וקוד העיצוב הרלוונטי.

שאלות נפוצות

ש: האם ניתן להשתמש ב-310S וב-Incoloy 800H לסירוגין באותו תנור?

ת: לא באופן כללי. יש להם שיעורי התפשטות תרמית שונים והתנהגות זחילה שונה, ולכן ערבובם במכלול מרותך יחיד תחת עומס יכול ליצור מתח דיפרנציאלי. כאשר שתי הסגסוגות מופיעות באותו תנור, הן משמשות בדרך כלל ברכיבים נפרדים הנתמכים באופן עצמאי -, למשל, מעטפת 310S עם צינורות פנימיים של Incoloy 800H.

ש: האם Incoloy 800 זהה ל-Incoloy 800H או 800HT?

ת: לא. Incoloy 800 סטנדרטי (UNS N08800) מאפשר טווח פחמן רחב יותר ואינו נושא את חישול התמיסה הגס-תבואה,-בטמפרטורה גבוהה, שנותן את חוזק הזחילה{9}} העדיף של 800H (UNS N08810) ו-800HT (UNS N08811). במפרטי התנור והתהליך הנוכחיים-, 800H ו-800HT החליפו במידה רבה את התקן 800.

ש: האם 310S דורש טיפול בחום לאחר-ריתוך?

ת: לא עבור עמידות בפני קורוזיה ברוב יישומי התנור, מכיוון ש-310S הוא דרגת פחמן- נמוכה עם עמידות טובה בפני רגישות הקשורה לריתוך-. אם הציוד יראה שירות מורחב בטווח -שלב-הסיגמא, חישול פתרון תקופתי - לא הקלה במתח - הוא הטיפול המתקן המתאים, לא דרישה שגרתית לאחר-ריתוך.

ש: מהי מגבלת הטמפרטורה המעשית עבור שירות 310S רציף?

ת: בערך 2,000 מעלות פרנהייט (1,093 מעלות ) עבור שירות חמצון מתמשך, עם האזהרה שציוד שנוסע על אופניים בטווח של 1,200–1,650 מעלות פרנהייט (650–900 מעלות) נחשף שוב ושוב להתפרקות שלב-סייגמאית לאורך זמן וצריך להעריך מחדש{1} במשך תקופה{1}.

ש: מדוע תכולת הניקל חשובה כל כך לעמידות בפני קרבוריזציה?

ת: לפחמן מסיסות נמוכה מאוד בניקל ומתפזר לתוכו לאט יותר מאשר לברזל או לכרום. מכיוון ש-Inkoloy 800H נושא בערך 30-35% ניקל לעומת כ-19-22% עבור 310S, פחמן חודר פני השטח שלו לאט יותר בתנאי קרבור זהים, וזו הסיבה העיקרית לכך ש-800H מתעלה על פלדות אל-חלד ממשפחת 310 באטמוספרות של תנורים.