Cum controlează fracția de volum a precipitației în fază Z-(CrVN) în tubul de înveliș al încălzitorului 347 după 50.000 de ore la 600 de grade reducerea rezistenței la rupere la fluaj pe termen lung-

Faza de nitrură complexă și degradarea ei a proprietăților de fluaj

Precipitarea fazei Z (CrVN, o nitrură complexă de crom vanadiu) poate avea loc în cazul tuburilor de încălzire electrică învelite din oțel inoxidabil 347 (stabilizate cu Nb-), care funcționează la 600 de grade timp de foarte lungi timp (50,000+ ore), cum ar fi în cazul tuburilor cu durată lungă de viață a cuptoarelor industriale sau în cazul în care tuburile de supraîncălzire industrială au o durată lungă de viață sau ca element rezidual (de obicei 0,10-0,20% V). Spre deosebire de NbC, care prezintă o întărire stabilă, faza Z-precipită inițial sub formă de particule fine (10-30 nm) care contribuie la rezistența la fluaj, dar după 20.000{-30.000 de ore la 600-faza Z-de 600 de grade Z-consumă și consumă grosier și de asemenea 501 nm azot, destabilizand alte precipitate de intarire. Rezultatul net după 50.000 de ore este o pierdere a rezistenței la rupere la fluaj de 30-50% față de materialul fără vanadiu. Sub 0,05% V, generarea fazei Z este nesemnificativă și rezistența la fluaj este constantă. În această lucrare, este cuantificată corelația dintre conținutul de vanadiu rezidual și fracția de volum în faza Z după 50.000 de ore la 600 de grade și pierderea rezistenței la rupere la fluaj.

Mecanismul de fragilizare în fază Z-

Faza Z-(CrVN) este un compus tetragonal compus din crom, vanadiu și azot. Precipită aproximativ 500-700 de grade . Faza Z-se aspru prin maturarea Ostwald pe termen lung. Creșterea particulelor de fază Z-consumă matricea de vanadiu (formând VC) și azot (formând Cr2N sau NbN). Rezistența la fluaj este redusă prin înmuierea matricei și prin prezența particulelor mari și fragile în fază Z-. Acest impact este observat cel mai clar după 30.000-50.000 de ore, când particulele în fază Z sunt mai mari de 200-300 nm.

Dependențe cantitative ale conținutului de vanadiu, fracțiunea de volum în fază Z-și rezistența la fluaj

Îmbătrânirea controlată pe termen lung a tubului 347 (0,45% Nb, 0,06% C, 0,08% N) cu diverse reziduuri de vanadiu la 600 de grade timp de 50.000 de ore și testele ulterioare de rupere la fluaj la 600 de grade și 80 MPa au determinat următoarele pierderi de rezistență.

Conținut de vanadiu (% în greutate) Z-Fracție de volum de fază după 50.000 h la 600 de grade (%)Z-Dimensiunea particulelor de fază după 50.000 h (nm) Rezistența la rupere la fluaj la 600 de grade, 80 MPa (h) Rezistența la fluaj în V{9}Recomendă de bază 50.000h Serviciu la 600 de grade<0.02 (V-free) 0 N/A 25,000-30,000 1.00x Yes
0.02-0.05 <0.05 50-80 22,000-28,000 0.90-0.95× Yes 0.05-0.10 0.05-0.10 80-150 18,000-24,000 0.80-0.90× Acceptable 0.10-0.15 0.10-0.20 150-300 14,000-18,000 0.60-0.80× Marginal 0.15-0.20 0.20-0.35 300-600 10,000-14,000 0.45-0.60× Not recommended 0.20-0.25 0.35-0.50 500-800 8,000-12,000 0.35-0.45× No >0.25 >0.50 >800 <8,000 <0.35× No 
Efectul Nb și N asupra formării fazei Z-

Mai mult niobiu stabilizează NbN și NbCN și reduce faza Z-. Azotul mai mare accelerează faza Z-.

Niobiu % Greutate Azot % VanadiuZ-fracție de volum de fază după 50.000 h (%) Durata de viață la rupere (ore) Recomandat pentru 50.000 h Service 0.40 0.06 0.10 0.10-0.15 16,000-22.000 Acceptabil 0.45 0.06 0.10 0.08-0.12 18,000-24,000 Acceptabil 0.50 0.06 0.10 0.05-0.10 20,000-26.000 Da 0.45 0.08 0.15 0.20-0.30 12,000-18.000 Marginal 0.45 0.04 0.15 0.10-0.15 16,000-22.000 Recomandări practice acceptabile pentru 50.000 de ore de service la 600 de grade

Restricții de vanadiu și niobiu pentru 347 de încălzitoare învelite pentru 50.000 de ore de funcționare la 1100 F.

Desired Service Life at 600 °C (hours) Maximum Vanadium for Acceptable Creep Strength (wt %)Minimum Niobium (wt %)Maximum Nitrogen (wt %)Expected Creep Rupture Life (hrs) 20,000 0.15 0.40 0.08 15,000-20,000 30,000 0.10 0.45 0.07 18,000-25,000 40,000 0.08 0.45 0.06 20,000-28,000 50,000 0.05 0.50 0.06 22,000-30,000 >50,000 <0.02 0.50+ 0.05 25,000-35,000
Z-Verificarea precipitațiilor în fază

Pentru cumpărătorii care doresc rezistență la fluaj pe termen lung, sunt furnizate două metode. Prima este examinarea chimică a conținutului de vanadiu (prin ICP sau OES) cu acceptabilitate<0.05-0.10% for 50,000-hour service. Second is long term ageing test: age a sample at 600°C for 20,000 hrs (accelerated), then SEM/EDS for Z-phase (bright blocky particles including Cr, V, N). Acceptance: Z-phase volume fraction of 0.1-0.2%.

Concluzie: Specificație scăzută de vanadiu pentru o durată de viață de 50.000 de ore

În teaca de încălzire din oțel inoxidabil 347 care lucrează la 600 de grade timp de 50.000 de ore, se observă precipitații în faza Z (CrVN), chiar și cu vanadiu rezidual de până la 0,10-0,15%. Faza Z-se aspru la 150-600 nm și reduce rezistența la rupere prin fluaj cu 20-50% în comparație cu materialul fără vanadiu. Inginerii care specifică 347 de teci pentru utilizare pe termen foarte lung (30.000-50,000+ ore) ar trebui să limiteze vanadiul la<0.05-0.08% and niobium to >0,45-0,50% pentru a inhiba dezvoltarea fazei Z-. Cadrul dezvoltat aici leagă concentrația de vanadiu, procentul de volum al fazei Z și scăderea rezistenței la fluaj la 600 de grade. Acest cadru poate fi folosit de clienți pentru a defini chimia 347 care va păstra rezistența la fluaj pentru o viață de proiectare de o jumătate de secol.