Miks 316 roostevabast terasest ümbrisega elektriküttetorud sulas karbamiidis 130–160 kraadi juures tekitavad 12 kuu jooksul graanulitevahelise söestumise ja murenemise, jäädes samal ajal uurea vesilahuses plastiliseks?

Karbamiidi tootmisel kasutatavad elektrilised küttetorud, peamiselt karbamaadi kondensaatorites, karbamiidi prillimistornides ja sulatusmahutites, puutuvad kokku sula uureaga (NH 2 -CO-NH 2 ) temperatuuril 130–160 kraadi. Mitme lämmastikväetise rajatiste põldtõrked näitavad, et 316 roostevabast terasest kesta muutuvad hapraks ja purunevad pärast 6–12 kuud sulanud karbamiidi kasutamist. Karbamiidi vesilahustes (32% N lahus, ümbritsev temperatuur kuni 60 kraadi) on kasutatud aastaid identseid kuumutusseadmeid ilma sarnase riknemiseta. Sula karbamiidi tõrkeprotsess seisneb karburiseerimises, süsiniku difusioonis 316 roostevabast terasest võres ja sisemiste kroomkarbiidide sadestamises. Temperatuuril üle 130 kraadi laguneb sula uurea tsüaanhappeks (HNCO), ammoniaagiks ja biureediks, mis lagunevad edasi, moodustades aktiivsöe osad. Nende süsinikuaatomite difundeerimiskiirus ümbrise pinnale on 10-100 korda suurem kui gaasilises karburiseerivas atmosfääris samal temperatuuril tänu efektiivsele massiülekandele vedelas keskkonnas. Karbureeritud kihis ei ole kroomi (kroom seotakse karbiidideks) ja see muundatakse plastilisest austeniidist kõvaks rabedaks karbiidide ja martensiidi seguks. Seejärel puruneb rabestunud kiht kuumuse või mehaanilise pinge mõjul, tekitades pragusid, mis levivad läbi ülejäänud plastilise südamiku. Selles artiklis hinnatakse 316 karboniseerumise kineetikat sulas karbamiidis ja sellest tulenevat haprust ning antakse teavet sulami valiku kohta karbamiidi sulatamise kasutamiseks.

Karbamiidi süsiniku aktiivsuse termiline lagunemine
Urea has a melting point of 133°C. Above this temperature it has two competing breakdown processes . The principal reaction at 130-160°C is: NH₂-CO-NH₂ → HNCO + NH₃. Cyanic acid (HNCO) trimerizes to cyanuric acid or combines with urea to provide biuret: NH₂-CO-NH₂ + HNCO → NH₂-CO-NH-CO-NH₂ (biuret). The biuret is decomposed further at temperatures over 160 °C: NH₂ - CO - NH - CO - NH₂ ->2HNCO + NH3. Süsiniku tasakaaluaktiivsus sulas uureas 150 kraadi juures on hinnanguliselt 0,3-0,6, mis on piisavalt kõrge austeniitse roostevaba terase karburiseerimiseks. Seevastu süsiniku aktiivsus normaalses karboniseerimisahju atmosfääris (0,8–1,0% C potentsiaal) on vahemikus 0,8–1,2. Süsiniku aktiivsus sulas karbamiidis on madalam kui tööstusliku gaasi karboniseerimisel, kuid jääb pikaajalisel kokkupuutel (kuudest aastateni) märkimisväärseks.

Peamine erinevus uurea vesilahusest on põhimõtteline. Vesilahuses olev karbamiid on stabiilne ja ei lagune alla 100 C. Vesipõhises karbamiidiküttekehades vaadeldakse ainult karbamiidi molekuli, mis ei süsivesiku. Sula uureas moodustuvad lagunemissaadused aktiivsüsi temperatuuril üle 133 kraadi ja seal ei ole vett, mis pärsib karburiseerumist (vesigaasi reaktsioon: H2O + C → CO + H₂ eemaldaks süsiniku, kui vesi oleks olemas, kuid sula uurea on kuiv).

Karburisatsiooni sügavuse ja mikrostruktuuri arengu kvantifitseerimine
Kontrollitud kokkupuute testid on tehtud roostevabast terasest 316 (paksus 2 mm, lahusega lõõmutatud) kupongproovidega, mis on sukeldatud sula uureasse (tehniline puhtus, 99,5%) temperatuuril 145 kraadi, 150 kraadi ja 160 kraadi kuni 10 000 tunniks (umbes 14 kuud). Proove võeti teatud ajavahemike järel, lõigati ja analüüsiti süsinikusisalduse suhtes põlemisanalüüsiga, karbiidi sadestamise suhtes metallograafia abil ja rabeduse suhtes paindetestiga.

Temperatuur (kraad) Kokkupuuteaeg (tundides) Korpuse sügavus (µm, 0,1% C võimendus) Pinna süsinik (massi%, algne 0,03-0,06%) Cr vähenemine pinnal (massi%, algne 16-17%) Painde elastsus (jääkpikenemine, % esialgsest pikkusest)
145 1000 15 0.18 14.2 85% 145 2000 30 0.32 12.8 60% 145 4000 60 0.55 10.5 30% 145 6000 80 0.70 9.0 15% 145 8000 100 0.82 7.8 5% (habras luumurd) 145 10000 120 0.91 6.5<5% (very brittle) 150 4000 90 0.68 9.5 20% 160 2000 100 0.85 8.0 10%
Karburisatsiooni kineetika on paraboolne: korpuse sügavus on võrdeline aja ruutjuurega. Korpuse sügavus 120 µm saavutati pärast 10 000 tundi 145 kraadi juures. Siin eemaldati kroom 16–17%-lt kuni 6,5%-ni, muutes austeniidi kroomkarbiidide (Cr₂3C₆) ja süsinikuga üleküllastunud martensiidi seguks. Haprus on tõsine: painde elastsus vähenes pärast 6000 tundi (8,5 kuud) 15%-ni algsest ja proovid purunesid minimaalse deformatsiooniga. Pärast 10 000 tundi (14 kuud) oli materjal klaas{17}}nagu painutamisel, purunedes vähem kui 1% deformatsioonil.

Rikkerežiim: söestunud kihi pragunemine ja lõhenemine
Karbureeritud pinnakihi soojuspaisumistegur on umbes 20% madalam kui karburiseerimata südamikul. Termilise tsükli ajal tekkivad termilised pinged, nt küttekeha sisse-/väljalülitamistsüklid või protsesside seiskamised, põhjustavad rabeda karbureeritud kihi pragunemist. Kui luumurd areneb, võib see liikuda mööda karbiidivõrke või läbi tera piiride. Äärmuslikel asjaoludel koorub söestunud metalli kiht maha, paljastades karboniseeritava värske metalli ja kiirendades protsessi.

Karbamiidi prillimistorni (150 °C, 12 kuud kasutusiga) ebaõnnestunud kestade väliuuringul leiti 150–200 mikroni suurune karbureeritud korpus, millel oli pinnaga risti asetsev märkimisväärne pragu. Karburiseerimata südamikus venisid praod 50–100 µm ja mõned olid tunginud läbi kogu 1,5 mm paksuse seina. Murdepinnal ilmnes segatud teradevaheline ja transgranulaarne murd, millel puudus märgatav deformatsioon, mis kinnitas rabedust.

Karbamiidi puhtuse ja lisandite mõju süsivesiku kiirusele
Kaubanduslik karbamiid sisaldab tootmisprotsessist tulenevalt lisandina biureeti (0,5–1,5%). Biureet on reaktiivsem kui uurea ja kiirendab karburiseerumist. Testid 150 kraadi juures 2000 tunni jooksul, võrreldes puhast uureat (99,9%,<0.1% biuret) with technical grade urea (99.0%, 0.8% biuret) showed:

Karbamiidi klassi biureetilise sisaldus (%) söestunud korpuse sügavus 2000 tunni juures (µm) Pinna süsinik (massi järgi) söestumise määr (suhteline)
Puhas uurea (laborikvaliteediga)<0.1 35 0.48 1.0 (base line)
Tehniline klass (tavaline põllumajanduslik) 0.8 55 0.62 1.6
Tehniline klass formaliinilisandiga (0,5%) 0.8 + HCHO 25 0.40 0.7 (inhibeeritud)
Karbamiidile lisatakse mõnikord formaliini (formaldehüüdi), et minimeerida biureedi tootmist ja eemaldada aktiivsüsi. Katse näitas, et formaliin aeglustab oluliselt karburisatsiooni kiirust, mis seletab mõne töödeldud uureat kasutava karbamiiditehase pikenemist.

Alternatiivsete materjalide sulatatud karbamiidi teenus
Mõned materjalid on süsivesikutele vastupidavamad sulas karbamiidis. Valik sõltub temperatuurist ja hinnangulisest kasutuseast.

Sheath Material Carburised Case Depth at 150°C, 5000 hrs (µm) Surface Hardness (HV, after exposure)Embrittlement (bend ductility loss)Relative CostRecommended for Molten Urea >140 kraadi
316 roostevaba teras 100 450 (habras) Tõsine (95% kadu) 1,0 Ei (rike 8–12 kuud)
310 SS (25Cr-20Ni) 60 350 Mõõdukas (60% kadu) 1,8 Marginaalne, 18-24 kuud
Sulam 800 (32Ni-21Cr) 25 280 Kerge (kadu 30%) 2,5 Vastuvõetav, 36–48 kuud
Sulam 600 (72Ni-15Cr-8Fe) 8 220 Minimaalne (kadu 10%) 5,0 Hea, 60+ kuud
Sulam 601 60Ni-23Cr-14Fe 5 210 Madal 5,5 Suurepärane
Titaani klass 2 0 (pole süsivesikuid) 180 (sama) Puudub 2.2 Suurepärane, kuid 180 oC juures on oht nitriidimiseks
Alloy 600 (Inconel 600) on karbamiidi sulamiskuumutites tõhusalt kasutatud +5 aastat temperatuuril 140–150 kraadi. Märkimisväärne kogus niklit (72%) aeglustab süsiniku difusiooni ja stabiliseerib austeniiti karbiidi sadenemise vastu. Sulam 601, mis on võrreldav nikliga, kuid kõrgem kroomisisaldusega, on oluliselt vastupidavam. 2. klassi titaan ei süsivesiku samal viisil (titaan tekitab pinnapealse TiC-kihi, mis blokeerib täiendava süsiniku sissetungi), kuid võib olla tundlik ammoniaagi lagunemisproduktide üle 180 kraadise nitrideerimise suhtes. Titaan sobib temperatuurile üle 130–160 kraadi.

Spetsifikatsioon Keel Sulakarbamiidi küttekehad
Ärge kasutage 316 roostevaba terast elektriküttetorude jaoks, mis on ostetud sula karbamiidiga töötamiseks temperatuuril üle 133 kraadi. Kui kasutusiga on pikem kui 24 kuud, on miinimumnõue sulam 600 (UNS N06600) või sulam 601 (UNS N06601) ümbrise materjal. Roostevaba terase 310 (UNS S31000) potentsiaalne kasutamine teenuste jaoks, mille uurea kavandatud temperatuur on alla 145 kraadi ja biureedi sisaldus alla 0,5%, kuid vajab iga-aastast seina paksuse mõõtmist ja kavandatud asendamist 18–24 kuu pärast. Kui 316 tuleb kasutada olemasolevates süsteemides, lisage järgmised nõuded: hoidke uurea temperatuur võimalikult madalal (ideaaljuhul 135–140 kraadi, mitte üle 145 kraadi); minimeerige biureedi sisaldus (võimaluse korral kasutage uureat koos formaliiniga); töötada pidevalt, et vältida termilist tsüklit; ja vahetage kestad iga 6 kuu järel, olenemata välimusest. Uute tehaste jaoks pakuvad 2. või 7. klassi titaanist kuni 160-kraadise sulakarbamiidi teenindamisel head kulud ja jõudluse tasakaal, eeldusel, et kütteseade ei puutu kokku üle 180 kraadise temperatuuriga, kus titaani nitridimine muutub probleemiks. Insenerid mõistavad, et sula uurea on karbamiidi vesine keskkond, mis erineb väga palju ja suudab valida materjale, mis on vastupidavad süsiniku difusioonile ja rabedusele, pikendades küttekeha eluiga kuudelt aastateni.