Γιατί το ποσοστό περιεκτικότητας σε πυρίτιο στη σωλήνωση θήκης θερμαντήρα 316 από ανοξείδωτο χάλυβα κάτω από 0,4% μειώνει την αντίσταση στην οξείδωση στους 650 βαθμούς στην υπηρεσία αέρα

Το δευτερεύον στοιχείο κραμάτων με μεγάλη επίδραση στην πρόσφυση σε κλίμακα υψηλής θερμοκρασίας

Για ηλεκτρικούς σωλήνες θέρμανσης που είναι τυλιγμένοι σε ανοξείδωτο χάλυβα 316 και λειτουργούν σε υψηλή θερμοκρασία (650 μοίρες) στην υπηρεσία αέρα, η περιεκτικότητα σε πυρίτιο (που κανονικά ορίζεται ως μέγιστο 0,75% από το ASTM A240) είναι ένας σημαντικός αλλά συχνά αγνοούμενος παράγοντας αντίστασης στην οξείδωση. Τα επίπεδα πυριτίου μικρότερα από 0,4% παράγουν μια ταχέως αναπτυσσόμενη κλίμακα-πλούσια σε οξείδιο σιδήρου που ξεφλουδίζει εύκολα, μειώνοντας τη διάρκεια ζωής του περιβλήματος 3-5 φορές σε σύγκριση με υλικό που περιέχει 0,6-1,0% πυρίτιο. Το πυρίτιο διευκολύνει την παραγωγή μιας λεπτής συνεχούς επίστρωσης άμορφου ή νανοκρυσταλλικού πυριτίου (SiO2) στην επαφή της κλίμακας-μετάλλου. Αυτό το στρώμα πυριτίας λειτουργεί ως φράγμα διάχυσης, επιβραδύνοντας την προς τα έξω διάχυση κατιόντων σιδήρου και χρωμίου και την προς τα μέσα διάχυση ανιόντων οξυγόνου. Αυτή η εργασία παρουσιάζει μια ποσοτικοποίηση της σχέσης μεταξύ της συγκέντρωσης πυριτίου, της κινητικής οξείδωσης και της συμπεριφοράς απολέπισης της κλίμακας για 316 περιβλήματα σε 650 μοίρες. Αυτό θέτει ένα πλαίσιο προδιαγραφών για εφαρμογές θερμαντήρα αέρα υψηλής θερμοκρασίας.

Ο ρόλος του πυριτίου στον σχηματισμό υποκλίμακα πυριτίου

Κατά τη διάρκεια της υψηλής θερμοκρασίας οξείδωσης του ανοξείδωτου χάλυβα 316, το χρώμιο και ο σίδηρος διαχέονται προς τα έξω για να δημιουργήσουν την εξωτερική κλίμακα Cr2O3/Fe2O3 και το οξυγόνο διαχέεται προς τα μέσα. Σε περιεκτικότητα σε πυρίτιο πάνω από ~ 0,4-0,5% το πυρίτιο οξειδώνεται κατά προτίμηση στην επαφή αλάτων-μετάλλου για να δημιουργήσει ένα λεπτό (0,1-1,0 μm) συνεχές άμορφο στρώμα πυριτίου. Αυτή η επίστρωση πυριτίου έχει δύο αμυντικές ιδιότητες. Πρώτον, ο συντελεστής διάχυσης του χρωμίου στο SiO2 είναι περίπου τρεις τάξεις μεγέθους μικρότερος από αυτόν στο Cr2O3, γεγονός που μειώνει δραστικά τον ρυθμό οξείδωσης{14}} Το πυρίτιο αυξάνει τη μηχανική πρόσφυση της εξωτερικής κλίμακας δημιουργώντας ένα στρώμα "κόλλας" που απορροφά την αναντιστοιχία θερμικής διαστολής. Στην περίπτωση πυριτίου κάτω του 0,4%, το στρώμα πυριτίου είναι ασυνεχές ή λείπει και η εξωτερική κλίμακα ανεβαίνει γρήγορα με άμεση διάχυση κατιόντων μέσω του Cr2O3 . Η σχηματιζόμενη κλίμακα είναι πιο πορώδης, παχύτερη και θρυμματίζεται εύκολα με θερμικό κύκλο.

Επίδραση του περιεχομένου Si στη Συμπεριφορά Οξείδωσης στους 650 βαθμούς : Ποσοτική σχέση

Η δοκιμή ελεγχόμενης κυκλικής οξείδωσης (κύκλοι 1 ώρας στους 650 μοίρες στον αέρα, εξαναγκασμένη ψύξη αέρα έως 100 μοίρες μεταξύ των κύκλων) σε σωλήνες 316 με ποικίλη περιεκτικότητα σε πυρίτιο έχει καθιερώσει διακριτά όρια απόδοσης.

Περιεκτικότητα σε πυρίτιο (wt%) Περιεκτικότητα σε χρώμιο (wt%) Συνεχές στρώμα πυριτίου; Ταχύτητα οξείδωσης (mg/cm²/hr) μετά από 500 κύκλους Έναρξη θρυμματισμού κλίμακας (κύκλοι έως την πρώτη ορατή θραύση) Απώλεια μετάλλων μετά από 5.000 κύκλους (μm) Συνιστάται για σέρβις αέρα 650 μοιρών<0.2 >16 Όχι (απών) 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 Συνεχές (0,2-0,5 μm) 0.03-0.06 1,000-2,500 30-60 Συνιστάται
0.6-0.8 17-19 Συνεχές, σταθερό (0,5-1,0 µm) 0.02-0.04 2,500-5,000 20-40Το καλύτερο για ανθεκτικότητα
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
Αλληλεπίδραση πυριτίου και μολυβδαινίου στην οξείδωση

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%), η συνεχής υποκλίμακα πυριτίου εμποδίζει το μολυβδαίνιο να φτάσει στην εξωτερική επιφάνεια και καταστέλλει την εξάτμιση MoO{sub 3}. Η εξάτμιση του μολυβδαινίου ενισχύεται σε επίπεδα πυριτίου κάτω από 0,4%, γεγονός που οδηγεί σε ταχύτερη διάσπαση της κλίμακας και ταχύτερη οξείδωση. Για 316 περιβλήματα για σέρβις άνω των 600 μοιρών, η περιεκτικότητα σε πυρίτιο θα πρέπει να προσδιορίζεται στην υψηλή πλευρά του εύρους ASTM (0,6-1,0%) για να αντισταθμιστεί η αρνητική επίδραση του μολυβδαινίου.

Ορισμός περιεχομένου πυριτίου για εφαρμογές θέρμανσης υψηλής θερμοκρασίας

Με βάση την εκτιμώμενη διάρκεια ζωής και τη συχνότητα θερμικού κύκλου, οι ακόλουθες απαιτήσεις πυριτίου συνιστώνται για 316 θερμαντήρες με μανδύα που λειτουργούν στους 650 βαθμούς σε αέρα ή οξειδωτικά αέρια καύσης:

Κατάσταση σέρβις Θερμοκρασία περιβλήματος ( βαθμός ) Θερμικοί κύκλοι ανά ημέρα Ελάχιστη περιεκτικότητα σε πυρίτιο (wt%) Συνιστώμενη περιοχή πυριτίου (wt%) Εναλλακτικό κράμα εάν οι ανάγκες σε πυρίτιο δεν μπορούν να ικανοποιηθούν
Τρέξτε συνεχώς, κάντε περιστασιακά ποδήλατο 600-650<1 0.50 0.60-0.80 310 stainless steel
Διακοπτόμενη ήπια ποδηλασία 600-650 1-10 0.60 0.70-1.00 310 ss ή Inconel 600
Frequent cycling (>10/day) 550-600 >10 0.60 0.70-1.00 Inconel 600
Συνεχές σέρβις 650-700<1 >0,70 (316 δεν συνιστάται) 0.80-1.00 310 ή απαιτείται Inconel
550-650 Οποιοδήποτε 0.70 0.80-1.00 Συνιστάται Inconel 600 Οποιαδήποτε υπηρεσία όπου υπάρχει θείο στην ατμόσφαιρα Επαλήθευση περιεκτικότητας σε πυρίτιο και απόδοση οξείδωσης

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 >Το 0,2 μm δείχνει ότι το πυρίτιο είναι αρκετό. Μέγιστη εμπιστοσύνη όταν απαιτούνται και οι τρεις επαληθεύσεις . Για σημαντικές εφαρμογές.

Επιτόπια διάγνωση διάσπασης χαμηλής οξείδωσης πυριτίου

For 316 sheaths that have failed in 600-650°C air service, suspect low silicon content if the scale is thick (>200 μm), μη-προσκολλημένο (ξεφύλλει στην αφή) και κοκκινωπό-καφέ (Fe2O3) αντί για πρασινωπό-μαύρο (Cr2O3). Εάν το βασικό μέταλλο ήταν ανεπαρκές, η ηλεκτρονική μικροσκοπία ή η διερεύνηση EDS της κλίμακας-διασύνδεσης μετάλλου δεν θα δείξει επίπεδα πυριτίου ή πυριτίου κάτω από 0,2%. Το ελαττωματικό περίβλημα θα εμφανίσει απώλεια μετάλλου 200 έως 500 μm (σοβαρή τραχύτητα και αραίωση) σε σύγκριση με 20 έως 50 μm για υλικό με κατάλληλο πυρίτιο. Η λειτουργία αστοχίας αυξάνει τη λέπτυνση του τοίχου με θρυμματισμό και ενδεχόμενη διαμήκη διάσπαση όταν το υπόλοιπο τοίχωμα δεν μπορεί πλέον να αντέξει την εσωτερική πίεση.

Συμπέρασμα: Κρίσιμη παράμετρος υψηλής θερμοκρασίας πυριτίου

Η αντίσταση στην οξείδωση των θερμαντικών τυλιγμένων από ανοξείδωτο χάλυβα 316 σε λειτουργία αέρα στους 650 μοίρες ελέγχεται άμεσα από την παράμετρο κράματος περιεκτικότητα σε πυρίτιο. Με περιεκτικότητα σε πυρίτιο κάτω από 0,4% η οξείδωση είναι γρήγορη και μη{4}}προστατευτική και η ζυγαριά πέφτει έτσι ώστε η διάρκεια ζωής του θερμαντήρα μειώνεται από 20.000 ώρες σε 3.000-5.000 h{10}}% προστίθεται πυρίτιο για να δημιουργηθεί μια συνεχής υποκλίμακα πυριτίου μειώνοντας την οξείδωση κατά δύο bit. Οποιαδήποτε εφαρμογή όπου η θερμοκρασία του περιβλήματος υπερβαίνει τους 550 βαθμούς θα απαιτήσει ελάχιστη συγκέντρωση πυριτίου 0,50% και συνιστά 0,60-0,80% για μέγιστη απόδοση. Για συνεχές σέρβις σε 650 μοίρες ή πάνω από οποιαδήποτε υπηρεσία άνω των 700 μοιρών, είναι καλύτερο να κάνετε αναβάθμιση σε ανοξείδωτο χάλυβα 310 ή Inconel 600 αντί να εξαρτάστε από το 316 ακόμη και με υψηλό πυρίτιο. Συσχετίζοντας το ποσοστό πυριτίου με τους μετρήσιμους ρυθμούς οξείδωσης και την έναρξη του ξεφλουδίσματος, η προσέγγιση που προτείνεται εδώ επιτρέπει στους αγοραστές να καθορίσουν 316 περιβλήματα που διατηρούν την ακεραιότητα της προστατευτικής κλίμακας σε υψηλές θερμοκρασίες.