Miks vähendab 316 roostevabast terasest küttekeha torude ränisisaldus alla 0,4% oksüdatsioonitakistust õhuteenistuses 650 kraadi juures

Väike legeerelement, millel on suur mõju kõrge temperatuuriga katlakivi haardumisele

Roostevabast terasest 316 mähitud elektriliste küttetorude puhul, mis töötavad õhutranspordis kõrgel temperatuuril (650 kraadi), on ränisisaldus (tavaliselt ASTM A240 järgi maksimaalselt 0,75%) oluline, kuid sageli tähelepanuta jäetud oksüdatsioonikindluse tegur. Ränisisaldus alla 0,4% tekitab kiiresti areneva raua-rikka oksiidikatla, mis kergesti pritsib, vähendades ümbrise eluiga 3-5 korda võrreldes materjaliga, mis sisaldab 0,6–1,0% räni. Räni hõlbustab õhukese pideva amorfse või nanokristallilise ränidioksiidi (SiO2) katte tootmist katlakivi ja metalli kokkupuutel. See ränidioksiidi kiht toimib difusioonibarjäärina, pidurdades raua ja kroomi katioonide difusiooni väljapoole ning hapnikuanioonide difusiooni sissepoole. Selles artiklis esitatakse räni kontsentratsiooni, oksüdatsioonikineetika ja mastaapi lõhenemiskäitumise vahelise seose kvantifitseerimine 316 kesta puhul 650 kraadi juures. See esitab kõrgtemperatuuriliste õhusoojendite rakenduste spetsifikatsiooniraamistiku.

Räni roll ränidioksiidi alamskaala moodustamisel

Roostevaba terase 316 kõrgel temperatuuril oksüdeerumisel hajub kroom ja raud väljapoole, moodustades välise Cr2O3/Fe2O3 skaala ja hapnik difundeerub sissepoole. Kui ränisisaldus on üle ~ 0,4-0,5%, oksüdeerub räni eelistatavalt katlakivi ja metalli kokkupuutel, moodustades õhukese (0,1–1,0 µm) pideva amorfse ränidioksiidi kihi. Sellel ränidioksiidi kattel on kaks kaitseomadust. Esiteks on kroomi difusioonikoefitsient SiO2-s umbes kolm suurusjärku väiksem kui Cr2O3-s, mis vähendab drastiliselt oksüdatsioonikiirust. 2. Ränidioksiid suurendab välise katlakivi mehaanilist adhesiooni, luues "liimi" kihi, mis neelab soojuspaisumise mittevastavuse. Räni sisaldusega alla 0,4% on ränidioksiidi kiht katkendlik või puudub ja väline skaala tõuseb kiiresti katioonide otsese difusiooni tõttu läbi Cr2O3 . Moodustunud katlakivi on poorsem, paksem ja termilise tsükli tõttu kergesti laialivalguv.

Si-sisalduse mõju oksüdatsioonikäitumisele 650 kraadi juures: kvantitatiivne seos

Kontrollitud tsüklilise oksüdatsiooni testimine (1-tunnine tsükkel 650 kraadi juures õhus, sundõhu jahutamine 100 kraadini tsüklite vahel) erineva ränisisaldusega torudel 316 on loonud selged toimivuspiirid.

Ränisisaldus (massi%) Kroomisisaldus (massi%) Pidev ränidioksiidi kiht? Oksüdatsioonikiirus (mg/cm²/h) pärast 500 tsüklit Katlakivi lõhenemise algus (tsüklid esimese nähtava lõheni) Metallikadu pärast 5000 tsüklit (µm) Soovitatav 650-kraadise õhutranspordi jaoks<0.2 >16 Ei (puudub) 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 Pidev (0,2-0,5 µm) 0.03-0.06 1,000-2,500 30-60 Soovitatav
0.6-0.8 17-19 Pidev, ühtlane (0,5–1,0 µm) 0.02-0.04 2,500–5,000 20-40Parim vastupidavuse tagamiseks
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
Räni ja molübdeeni koostoime oksüdatsioonis

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%), pidev ränidioksiidi alamskaala takistab molübdeeni jõudmist välispinnale ja pärsib MoO{sub 3} lendumist. Molübdeeni lendumine suureneb, kui ränisisaldus on alla 0,4%, mis põhjustab kiiremat katlakivi katkemist ja kiiremat oksüdatsiooni. 316 ümbrise puhul, mis on ette nähtud kasutamiseks temperatuuril üle 600 kraadi, tuleks ränisisaldus määrata ASTM-i vahemiku ülemisel poolel (0,6–1,0%), et kompenseerida molübdeeni kahjulikku mõju.

Ränisisalduse määratlus kõrge temperatuuriga kütteseadmete jaoks

Eeldatava kasutusea ja termilise tsükli sageduse põhjal soovitatakse 316 ümbrisega küttekehale, mis töötavad õhus või oksüdeerivates põlemisgaasides 650 kraadi juures, järgida järgmisi räninõudeid:

Hooldusseisund Katte temperatuur (kraad) Termilised tsüklid päevas Minimaalne ränisisaldus (massi%) Soovitatav ränivahemik (massi%) Alternatiivne sulam, kui ränivajadusi ei saa rahuldada
Jookse pidevalt, tsükli aeg-ajalt 600–650<1 0.50 0.60-0.80 310 stainless steel
Vahelduv kerge jalgrattasõit 600-650 1-10 0.60 0.70-1.00 310 ss või Inconel 600
Frequent cycling (>10/day) 550-600 >10 0.60 0.70-1.00 Inconel 600
Pidev hooldus 650-700<1 >0,70 (316 pole soovitatav) 0.80-1.00 310 või vaja Inconeli
550-650 Mis tahes 0.70 0.80-1.00 Inconel 600 soovitatav Kõik teenused, mille atmosfääris on väävlit Ränisisalduse ja oksüdatsioonivõime kontrollimine

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 >0,2 µm näitab, et räni on piisav. Suurim usaldus, kui nõutakse kõiki kolme kinnitust. Oluliste rakenduste jaoks.

Madala räni oksüdatsiooni lagunemise välidiagnostika

For 316 sheaths that have failed in 600-650°C air service, suspect low silicon content if the scale is thick (>200 µm), mitte-kleepuv (katsudes laigud) ja pigem punakas-pruun (Fe2O3), mitte rohekas-must (Cr2O3). Kui mitteväärismetall oli ebapiisav, ei näita skaala-metalli liidese elektronmikroskoopia või EDS-uuring räni ega ränisisaldust alla 0,2%. Katkestatud ümbris näitab metalli kadu 200 kuni 500 µm (tugev karestumine ja hõrenemine) võrreldes 20 kuni 50 µm sobiva räniga materjaliga. Rikkerežiim suurendab seina õhenemist lõhenemise ja võimaliku pikisuunalise lõhenemise tõttu, kui ülejäänud sein ei talu enam sisemist survet.

Järeldus: Räni kriitiline kõrge temperatuuri parameeter

316 roostevabast terasest pakitud küttekeha oksüdatsioonikindlust õhuteenistuses 650 kraadi juures kontrollib otseselt legeerimisparameetri ränisisaldus. Kui ränisisaldus on alla 0,4%, on oksüdatsioon kiire ja mittekaitsev ning skaala laialivalgub nii, et küttekeha eluiga lüheneb 20 000 tunnilt 3000–5000 h. 0.6-1.0% räni lisatakse, et tekitada pidev ränidioksiidi alamskaala, mis aeglustab oksüdeerumist kahe suurusjärgu võrra. Iga rakendus, kus ümbrise temperatuur ületab 550 kraadi, nõuab minimaalset räni kontsentratsiooni 0,50% ja maksimaalse jõudluse saavutamiseks soovitatakse 0,60–0,80%. Pideva 650-kraadise või kõrgema teeninduse korral on parem minna üle 310-le roostevabast terasest või Inconel 600-le, mitte sõltuda 316-st isegi kõrge ränisisaldusega. Korreleerides räni protsendi mõõdetavate oksüdatsioonimäärade ja lõhenemise initsiatsiooniga, võimaldab siin pakutud lähenemisviis ostjatel määrata 316 kesta, mis säilitavad kaitsva skaala terviklikkuse kõrgendatud temperatuuridel.