Πώς διαφέρουν οι βαθμοί ανοξείδωτου χάλυβα 304 και 316 ως προς την αντοχή στη διάβρωση για εφαρμογές πλάκας θέρμανσης;

Για αντικολλητικές πλάκες απαιτούνται-τεφλόν. Απαιτούνται θερμαντικές πλάκες από ανοξείδωτο χάλυβα για ανθεκτικότητα και αντοχή στη διάβρωση. Οι δύο πιο διαδεδομένες ποιότητες ωστενιτικών, 304 και 316, φαίνονται σχεδόν ίδιες, αλλά διαφέρουν σημαντικά ως προς την αντοχή τους σε ορισμένους διαβρωτικούς παράγοντες-μια διάκριση που μπορεί να καθορίσει τη διάρκεια ζωής της πλάκας. Για να ελαχιστοποιηθεί η πρόωρη αστοχία και ο απρογραμμάτιστος χρόνος διακοπής λειτουργίας, είναι σημαντικό οι μηχανικοί να γνωρίζουν τις διαφορετικές συμπεριφορές διάβρωσης του ανοξείδωτου χάλυβα 304 και 316 όταν επιλέγουν μια πλάκα θέρμανσης για θέρμανση βιομηχανικών διεργασιών, εργαστηριακό εξοπλισμό ή εφαρμογές επεξεργασίας τροφίμων.

Χημική Σύνθεση: Ο Ρόλος του Μολυβδαινίου
Οι 304 και 316 είναι και οι δύο ωστενιτικοί ανοξείδωτοι χάλυβες, που σημαίνει ότι έχουν μια κυβική κρυσταλλική δομή (με όψη-κεντρικά κυβικά) που τους προσδίδει καλή μορφοποίηση και ανθεκτικότητα. Και τα δύο περιέχουν χρώμιο (Cr) και νικέλιο (Ni) ως τα κύρια κράματα. Ο ανοξείδωτος χάλυβας είναι ανθεκτικός στη διάβρωση λόγω του παθητικού στρώματος οξειδίου που αναπτύσσει το χρώμιο στην επιφάνεια. Το νικέλιο σταθεροποιεί την ωστενιτική δομή και ενισχύει την αντίσταση στα αναγωγικά οξέα.

Η διαφορά γίνεται από το μολυβδαίνιο (Mo). Ο βαθμός 304 δεν περιλαμβάνει μολυβδαίνιο. Ο βαθμός 316 έχει περίπου 2-3% μολυβδαίνιο κατά βάρος. Αυτή η φαινομενικά μικρή αύξηση αλλάζει ουσιαστικά την ηλεκτροχημική συμπεριφορά του κράματος παρουσία χλωριδίων και ορισμένων οξέων.

304 Ανοξείδωτος χάλυβας - Τυπική σύνθεση: 18% χρώμιο, 8% νικέλιο, ισορροπία σιδήρου. Μέγιστη περιεκτικότητα σε άνθρακα 0,08% σε συνήθη ποιότητα (το 304L έχει χαμηλότερο άνθρακα για καλύτερη συγκολλησιμότητα).

316 Ανοξείδωτος χάλυβας Τυπική σύνθεση: 16-18% χρώμιο, 10-14% νικέλιο, 2-3% μολυβδαίνιο, σίδηρος ισορροπίας. Το κύριο πρόσθετο κραμάτων είναι το μολυβδαίνιο.

Επίσης η συγκέντρωση νικελίου είναι σημαντικά υψηλότερη στο 316 (10-14% έναντι 8-10,5% στο 304) γεγονός που αυξάνει την αντίσταση σε συνθήκες μείωσης.

Πώς το μολυβδαίνιο συμβάλλει στην αντοχή στη διάβρωση
Το μολυβδαίνιο βοηθά στην αντοχή στη διάβρωση με πολλούς τρόπους. Πυκνώνει το φιλμ παθητικού οξειδίου οδηγώντας σε ένα πιο σταθερό φιλμ και λιγότερο ευάλωτο στην αποικοδόμηση από ιόντα χλωρίου. Το μολυβδαίνιο περιορίζει επίσης τον σχηματισμό και την επέκταση κοιλωμάτων-μικρών τοπικών σημείων διάβρωσης που μπορούν να διεισδύσουν βαθιά στο μέταλλο.

Ένας σημαντικός παράγοντας διαφοροποίησης είναι ο ισοδύναμος αριθμός αντίστασης διάτρησης (PREN) που είναι μια εμπειρική φόρμουλα που χρησιμοποιείται για την ταξινόμηση της αντοχής των ανοξείδωτων χάλυβων στη διάβρωση με διάτρηση σε περιβάλλοντα που περιέχουν χλωρίδιο. Ο τυπικός τύπος για το PREN είναι:

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

Για κανονικές ποιότητες (χωρίς σκόπιμες προσθήκες αζώτου):

304 ανοξείδωτος χάλυβας: PREN ≈ 18 + 3.3 × 0 + 0=18 (συνήθως 18-19)

316 ανοξείδωτος χάλυβας: PREN ≈ 17 + 3.3 × 2.5 + 0=25.25 (συνήθως 24–26)

Η υψηλότερη τιμή PREN του 316 σημαίνει πολύ ανώτερη αντίσταση στη διάβρωση με αυλάκια και ρωγμές, ειδικά σε θερμές συνθήκες χλωρίου, όπως το θαλασσινό νερό, τα άλατα από{1}}αποπάγωσης ή οι παράκτιες ατμόσφαιρες.

Σύγκριση αντοχής στη διάβρωση θερμαντικών πλακών
Εκτός από το περιβάλλον διεργασίας, οι θερμαντικές πλάκες εκτίθενται επίσης σε υψηλές θερμοκρασίες που μπορεί να επιταχύνουν τη διάβρωση. Μεγάλο μέρος της σύγκρισης της απόδοσης της πλάκας θέρμανσης από ανοξείδωτο χάλυβα 304 έναντι 316 εξαρτάται από τα διαβρωτικά χημικά που υπάρχουν.

Ατμοσφαιρική Διάβρωση Γενικά
Και τα δύο 304 και 316 είναι παρόμοια σε καθαρό εσωτερικό περιβάλλον ή ξηρούς εξωτερικούς χώρους με χαμηλή ρύπανση. Το στρώμα παθητικού οξειδίου εξακολουθεί να υπάρχει και οι ρυθμοί διάβρωσης είναι μέτριοι. 304 είναι συχνά κατάλληλο και φθηνότερο για θερμαντικές πλάκες για εργαστηριακούς φούρνους, θερμαντήρες ξηρής διεργασίας ή θερμαινόμενες πλάκες εντός ρυθμιζόμενων περιβλημάτων.

Διάβρωση σκασίματος και ρωγμών που προκαλείται από χλωρίδιο
Η τοπική διάβρωση στις θερμαντικές πλάκες από ανοξείδωτο χάλυβα προκαλείται συχνότερα από χλωρίδια (άλατα). Πηγές: Η ανάρτηση:

Ψεκασμός υφάλμυρου νερού ή θαλασσινού νερού

Τα άλατα αποπαγοποίησης μεταφέρονται στις εγκαταστάσεις επεξεργασίας τροφίμων

Χλωριωμένα καθαριστικά (χλωρίνη, υποχλωριώδες νάτριο)

υδροχλωρικό οξύ ή χλωρίδια μετάλλων σε υγρά διεργασίας

Ψεκασμός αλατιού (ατμοσφαιρικό) από την ακτή

Παρουσία χλωριδίων και οξυγόνου το παθητικό στρώμα στο 304 μπορεί να αποτύχει σε αδύναμα σημεία (εγκλεισμάτων, γρατσουνιές ή ρωγμές). Μόλις ξεκινήσει ένας λάκκος, η τοπική οξύτητα εντός του λάκκου επιταχύνει τη διαδικασία διάλυσης. Οι λάκκοι μπορούν να τρυπήσουν μια θερμαντική πλάκα σε εβδομάδες ή μήνες, με αποτέλεσμα τη διαρροή ηλεκτρικών εξαρτημάτων ή τη μόλυνση της διαδικασίας.

Ο ανοξείδωτος χάλυβας 316 με μολυβδαίνιο είναι πολύ πιο ανθεκτικός στην πυροδότηση λάκκου. Αυτή η διαφορά PREN των περίπου 7 σημείων σημαίνει ότι μια σημαντικά υψηλότερη θερμοκρασία διάβρωσης διάτρησης (PCPT). 304 θα διαβρωθεί στο θαλασσινό νερό σε θερμοκρασίες περιβάλλοντος σε σύντομο χρονικό διάστημα, αλλά το 316 ουσιαστικά δεν επηρεάζεται. Οι θερμαντικές πλάκες που μπορεί να πλυθούν με χλωριωμένα απορρυπαντικά ή να υποβληθούν σε ψεκασμό αλατιού συνιστάται να είναι κατασκευασμένες από 316.

Αντοχή σε οξύ
Οι θερμαντικές πλάκες χρησιμοποιούνται μερικές φορές σε επαφή με όξινα βιομηχανικά υγρά ή διαλύματα καθαρισμού:

Το θειικό οξύ (H2SO4) – 316 έχει αυξημένη ελαστικότητα ειδικά σε μέτριες συγκεντρώσεις και θερμοκρασίες. Το μολυβδαίνιο αυξάνει την αντίσταση στα αναγωγικά οξέα. Και οι δύο ποιότητες, ωστόσο, περιορίζονται στο θερμό πυκνό θειικό οξύ.

Υδροχλωρικό οξύ (HCl) – Καμία κατηγορία δεν συνιστάται για σημαντική έκθεση σε HCl, αλλά το 316 αποδίδει κάπως καλύτερα σε χαμηλές συγκεντρώσεις και θερμοκρασία δωματίου.

Νιτρικό οξύ (HNO3) - Τόσο το 304 όσο και το 316 έχουν καλή αντοχή σε οξειδωτικά οξέα όπως το νιτρικό οξύ. 304 χρησιμοποιείται συνήθως στην υπηρεσία νιτρικού οξέος, καθώς το μολυβδαίνιο στο 316 δεν προσφέρει κανένα όφελος.

Το φωσφορικό οξύ (H3PO4) – 316 ευνοείται συχνά, ειδικά σε υψηλές θερμοκρασίες, λόγω της συγκέντρωσης του μολυβδαινίου.

Οξικό οξύ και οργανικά οξέα - Και οι δύο ποιότητες είναι καλές, το 304 είναι γενικά αρκετό.

Στην πραγματικότητα, το 304 χρησιμοποιείται συχνά για τη θέρμανση πιάτων στην επεξεργασία τροφίμων (όπου υπάρχουν οργανικά οξέα από φρούτα ή γαλακτοκομικά προϊόντα). Εάν έχετε θερμαντικές πλάκες χημικής διεργασίας σε θειικό ή φωσφορικό οξύ, τότε το 316 είναι ο καλύτερος τρόπος.

Ρωγμή από διάβρωση λόγω καταπόνησης (SCC)
Η διάβρωση λόγω καταπόνησης χλωρίου μπορεί να επηρεάσει τους ωστενιτικούς ανοξείδωτους χάλυβες όταν πληρούνται ταυτόχρονα τρεις προϋποθέσεις: εφελκυστική τάση (συμπεριλαμβανομένης της υπολειπόμενης τάσης από την κατασκευή), χλωρίδια και ακραίες θερμοκρασίες (συνήθως πάνω από 60 βαθμούς). Οι θερμαντικές πλάκες είναι συχνά σε θερμική καταπόνηση και μπορεί να έχουν υπολειπόμενη τάση από τη διαμόρφωση ή τη συγκόλληση.

Τόσο το 304 όσο και το 316 είναι ευαίσθητα στο χλωριούχο SCC, ωστόσο, το 316 έχει ελαφρώς ανώτερη αντίσταση λόγω της υψηλότερης περιεκτικότητας σε νικέλιο και μολυβδαίνιο. Καμία κατηγορία δεν είναι πραγματικά ασφαλής σε σοβαρές συνθήκες χλωρίου σε υψηλές θερμοκρασίες. Σε τέτοιες ρυθμίσεις θα πρέπει να διερευνηθούν περισσότερα υλικά υψηλής κραματοποίησης (π.χ. διπλοί ανοξείδωτοι χάλυβες ή κράματα νικελίου). Όμως, για τις περισσότερες εφαρμογές θερμαντικών πλακών κάτω των 80 C, το 316 δίνει σημαντική μείωση στον κίνδυνο SCC σε σύγκριση με 304.

Διάγραμμα σύγκρισης πλακών θέρμανσης από ανοξείδωτο χάλυβα 304 έναντι 316
304 Stainless Steel 316 Stainless Steel Property
Τυπική σύνθεση 18% Cr, 8% Ni,<0.08% C 16-18% Cr, 10-14% Ni, 2-3% Mo Molybdenum Content 0% 2-3% PREN (Pitting Resistance) ~18-19 ~24-26
Ανθεκτικότητα σε λακκούβες από χλωριούχα κακή έως μέτρια (κοκκίζει εύκολα σε ζεστό θαλασσινό νερό ή χλωρίνη) Καλή έως εξαιρετικά καλή (ανθεκτικό στο σκάσιμο σε θαλασσινό νερό σε θερμοκρασία περιβάλλοντος)
Αντοχή στη διάβρωση ρωγμών Κακή Μέτρια (καλύτερη από 304, αλλά ευάλωτη σε στενές ρωγμές)
Αντοχή στο θειικό οξύ Χαμηλή (χαμηλή συγκέντρωση, χαμηλή θερμοκρασία) Μέτρια (καλύτερη από 304, ειδικά με αερισμό)
Αντίσταση νιτρικού οξέος ΕξαιρετικήΕξαιρετική (χωρίς πλεονέκτημα Mo)
Αντοχή σε οργανικά οξέα Καλή Καλή (λίγο καλύτερη)
Επιρρεπή σε ρωγμές από διάβρωση από καταπόνηση (Chloride SCC) > ~60 μοίρες Λιγότερο επηρεασμένο (αλλά όχι άνοσο)
Μέγιστη θερμοκρασία συνεχούς συντήρησης στον αέρα ~870 μοίρες (κίνδυνος ευαισθητοποίησης κατά τη συγκόλληση) ~870 μοίρες (παρόμοια)
Θερμική αγωγιμότητα (100 μοίρες) ~16,2 W/m-K ~16,3 W/m-K
Κόστος υλικού Χαμηλότερο (βασικός βαθμός) υψηλότερο (περίπου. 30-50% περισσότερο από 304)
Κοινή χρήση πλακών θέρμανσης Φούρνοι ξηροί θερμαντήρες επεξεργασίας εσωτερικού χώρου Εξοπλισμός τροφίμων (μη-καθαρισμός με χλωρίωση) Γενικές βιομηχανικές Θαλάσσιες ρυθμίσεις, παράκτιες εγκαταστάσεις, καθαρισμός με χλώριο, χημική επεξεργασία, φαρμακευτική
Οδηγίες για πρακτική χρήση
Όταν το 304 είναι αρκετό
Οι θερμαντικές πλάκες από ανοξείδωτο χάλυβα 304 είναι καλές για:

Εφαρμογές με ξηρή θέρμανση (καμία επαφή με υγρό ή απλώς επαφή με καθαρό νερό με χαμηλή περιεκτικότητα σε χλωριούχα)

Εσωτερικό περιβάλλον, ελεγχόμενο κλίμα, χωρίς έκθεση σε αλάτι.

Επεξεργασία τροφίμων, όπου ο καθαρισμός γίνεται με τη χρήση μη-χλωριωμένων απορρυπαντικών (π.χ. καθαριστικά με βάση το καυστικό ή το οξύ-).

Θερμές πλάκες για εργαστηριακή χρήση. Για μη-διαβρωτικές ουσίες.

Γενική βιομηχανική θέρμανση όπου η πλάκα δεν είναι βυθισμένη σε διαβρωτικές ουσίες.

Το 304 έχει επαρκή αντοχή στη διάβρωση με φθηνότερο κόστος σε ορισμένες εφαρμογές. Η υψηλή θερμική αγωγιμότητα και η ικανότητα σχηματισμού του κράματος διευκολύνει την κατασκευή περίπλοκων σχημάτων πλακών.

Πότε να χρησιμοποιήσετε το ανοξείδωτο ατσάλι 316
Σε εφαρμογές όπου εμπλέκονται χλωρίδια ή ορισμένα οξέα, το 316 προτιμάται έντονα:

Οι παράκτιες ή θαλάσσιες εγκαταστάσεις - 304 θα διαβρωθούν γρήγορα με ψεκασμό αλατιού στον αέρα. 316 για θερμαντικές πλάκες σε πλοία, υπεράκτιες πλατφόρμες ή κοντά σε παραλίες.

Εμβάπτιση σε υφάλμυρο ή θαλασσινό νερό – Οι θερμαντήρες εμβάπτισης με θαλασσινό νερό πρέπει να είναι από κράμα 316 ή πάνω από κράματα όπως σούπερ-ωστενιτικό ή τιτάνιο.

Καθαρισμός με χρήση ενώσεων με βάση το χλώριο – Πολλές επιχειρήσεις τροφίμων και φαρμάκων χρησιμοποιούν υποχλωριώδες νάτριο (χλωρίνη) ή διοξείδιο του χλωρίου ως απολυμαντικό. 304 που μπορεί να τρυπώσει μετά από συχνή έκθεση 316 που αντιστέκεται σε αυτές τις ουσίες.

Επεξεργαστείτε υγρά με χλωρίδια - Λουτρά επιμετάλλωσης (π.χ. χλωριούχος ψευδάργυρος), διαλύματα τουρσί ή νερό ψύξης με υψηλή περιεκτικότητα σε χλωριούχα.

Η υπηρεσία θειικού ή φωσφορικού οξέος - 316 προσφέρει υψηλό περιθώριο ασφαλείας πάνω από 304 σε μέτριες συγκεντρώσεις.

Υψηλές θερμοκρασίες, συνθήκες υγρασίας - Συμπύκνωση χλωριούχου-πλούσιας υγρασίας σε θερμαινόμενη πλάκα προκαλεί κοιλότητες. 316 ελαχιστοποιεί αυτόν τον κίνδυνο.

Αξίζει να αναφέρουμε ότι το 316 δεν είναι καθολική λύση. 316 θα διαβρωθεί ακόμη και σε πολύ σοβαρές ρυθμίσεις (π.χ. ζεστό ισχυρό υδροχλωρικό οξύ, θαλασσινό-νερό άνω των 50 βαθμών). Τέτοιες σκληρές συνθήκες απαιτούν ακριβότερα κράματα (904L, Hastelloy ή τιτάνιο).

Θερμικά και κατασκευαστικά ζητήματα
Τόσο το 304 όσο και το 316 έχουν παρόμοια θερμική αγωγιμότητα (περίπου 16 W/m·K), η οποία είναι μικρότερη από τον ανθρακούχο χάλυβα ή το αλουμίνιο, αλλά επαρκής για εφαρμογές πλάκας θέρμανσης όπου ο σχεδιασμός (ενσωματωμένοι θερμαντήρες φυσιγγίων ή χυτά{3}στοιχεία) παρέχει ομοιόμορφη κατανομή θερμότητας. Ο συντελεστής θερμικής διαστολής είναι επίσης παρόμοιος (και οι δύο είναι περίπου 17 μm/mK)

Μικρές διαφοροποιήσεις στην κατασκευή. Και τα δύο είναι επεξεργάσιμα, συγκολλούνται και διαμορφώνονται με κανονικές διαδικασίες. Ωστόσο, το 316 απαιτεί κάπως υψηλότερες πιέσεις κοπής και έχει υψηλότερο{3}}ρυθμό σκλήρυνσης. Και οι δύο ποιότητες θα πρέπει να συγκολληθούν χρησιμοποιώντας τις εκδόσεις χαμηλών εκπομπών άνθρακα (304L και 316L) για να αποφευχθεί η ευαισθητοποίηση (καθίζηση καρβιδίου του χρωμίου) στη ζώνη που επηρεάζεται από τη θερμότητα που μειώνει την αντίσταση στη διάβρωση.

Και με τους δύο βαθμούς πρέπει να δίνεται προσοχή με τις θερμαντικές πλάκες που λειτουργούν σε θερμοκρασίες άνω των 400 μοιρών λόγω της πιθανότητας απολέπισης και απώλειας του παθητικού στρώματος μετά από παρατεταμένη έκθεση. Ούτε ο ανοξείδωτος χάλυβας τύπου 304 ούτε ο ανοξείδωτος χάλυβας τύπου 316 έχουν εγκριθεί για συνεχή συντήρηση άνω των 800 μοιρών σε οξειδωτικές ατμόσφαιρες.

Οικονομικά Θέματα
Το κανονικό κόστος του ανοξείδωτου χάλυβα 316 είναι 30 – 50% περισσότερο από 304 λίβρες. Το αυξητικό κόστος μιας πλάκας θέρμανσης μπορεί να είναι αμελητέο για μικρές πλάκες ή σημαντικό για μεγάλες και χοντρές πλάκες. Αλλά πρέπει να σκεφτείτε ολόκληρο το κόστος ιδιοκτησίας. Μια θερμαντική πλάκα 304 θα υποβαθμιστεί σε έξι μήνες σε περιβάλλον χλωρίου και θα απαιτήσει εργασία αντικατάστασης, χρόνο διακοπής της διαδικασίας και πιθανό καθαρισμό μόλυνσης. Το αρχικό κόστος είναι υψηλότερο, αλλά ένα πιάτο 316 που διαρκεί 5 χρόνια είναι σχεδόν συνήθως πιο φθηνό.

Στην πραγματικότητα, πολλοί μηχανικοί χρησιμοποιούν έναν εμπειρικό κανόνα σύμφωνα με τον οποίο εάν υπάρχει οποιαδήποτε ασάφεια σχετικά με την έκθεση σε χλώριο, καθορίστε το 316. Η αρχική δαπάνη είναι μικρή σε σύγκριση με τον κίνδυνο πρόωρης αστοχίας.

Εν κατακλείδι
Η κύρια διαφορά μεταξύ των πλακών θέρμανσης από ανοξείδωτο χάλυβα 304 και 316 είναι ένα συστατικό - το μολυβδαίνιο. Ο βαθμός 304 είναι ένας σχετικά χαμηλός-ανοξείδωτος χάλυβας γενικής χρήσης χωρίς μολυβδαίνιο, για χρήση σε ξηρές ή ελαφρώς διαβρωτικές ρυθμίσεις. Ο βαθμός 316, με 2-3% μολυβδαίνιο, έχει σημαντικά βελτιωμένη αντοχή στη διάβρωση που προκαλείται από το χλώριο και στις ρωγμές και έχει καλύτερη απόδοση σε θειικά και φωσφορικά οξέα.

Το 316 είναι το υλικό επιλογής για τη θέρμανση πλακών σε επαφή με θαλασσινό νερό, σπρέι αλατιού, χλωριωμένα χημικά καθαρισμού ή όξινα υγρά διεργασίας. Η αυξημένη δαπάνη υλικών αντισταθμίζεται από μεγαλύτερη διάρκεια ζωής, λιγότερη συντήρηση και αποφυγή καταστροφικών αστοχιών σκασίματος. 304 είναι μια πλήρως επαρκής και φθηνή επιλογή για καθαρές, στεγνές ή εσωτερικές εφαρμογές που δεν περιέχουν χλωριούχα. Κατά την επιλογή υλικών, θα πρέπει να λαμβάνεται υπόψη το πραγματικό χημικό περιβάλλον στο οποίο θα υποβληθεί η θερμαντική πλάκα και να εξισορροπείται έναντι του κινδύνου αστοχίας διάβρωσης και του αρχικού κόστους.