Cum controlează fracția de volum de carbură de niobiu primară (NbC) din tubul de înveliș al încălzitorului stabilizat 347 rezistența la sensibilizare în timpul serviciului pe termen lung la 550 de grade, comparativ cu 316L

Efectul de stabilizare al expunerii prelungite la temperaturi ridicate

Pentru aplicarea pe termen lung, la temperatură înaltă (550 de grade ), a tuburilor de încălzire electrice învelite, cum ar fi pentru încălzitoarele industriale de aer, preîncălzitoarele petrochimice sau echipamentele de tratare termică, alegerea oțelului inoxidabil 316L (scăzut carbon) față de 347 (stabilizat cu niobiu) este determinată de rezistența lor respectivă la sensibilizarea la o{4}} precipitare la o{4}} crom. carbură la conținutul său scăzut de carbon (<0.03%). However even 316L can sensitise at 550 C after long service (5000-10000 hours). Carbon diffusion is sluggish, but will allow carbides to develop at grain boundaries. Type 347 has niobium (Nb, usually 10× C content, 0.3-0.8% Nb) which forms stable niobium carbide (NbC) precipitates in the grains, binding up carbon and preventing chromium depletion. The long term resistance to sensitisation is totally controlled by the volume fraction of the primary NbC (0.05-0.2%) and the fine secondary NbC which precipitates in service. Properly stabilised 347 is not sensitised at 550°C for >50.000 de ore. 316L începe să se sensibilizeze la 5.000-10.000 de ore. Articolul cuantifică asocierea dintre procentul de volum NbC, timpul de serviciu și rezistența la sensibilizare în 347 față de 316L.

Mecanismul de fixare a carbonului și stabilizarea niobiului

În oțelul inoxidabil 347 (18Cr-11Ni-Nb), niobiul are o afinitate substanțial mai mare pentru carbon decât cromul. În timpul recoacerii cu soluție (1.050-1.100 grade) cea mai mare parte a NbC se dizolvă, dar particulele primare de NbC (1-5 um) sunt lăsate nedizolvate. NbC secundar precipită fin (10-50 nm) în matricea de austenită, predominant la dislocații și în boabe, mai degrabă decât la limitele de granule, la răcire și în funcțiune la 450-750 de grade. Carbonul este legat ca NbC, astfel încât activitatea carbonului în matrice este foarte scăzută. Acest lucru previne formarea carburilor de Cr ( Cr2 3 C6 ) la granițele granulelor . Eficiența stabilizării depinde de raportul Nb:C (aproximativ 8:1 pentru NbC) și de caracterul complet al recoacerii de stabilizare (de obicei 850-900 grade timp de 2-4 ore după recoacere cu soluție).

Relația dintre fracția de volum NbC și rezistența la sensibilizare la 550 de grade

347 (cu diferite concentrații de niobiu și carbon) și 316L la 550 de grade timp de până la 50.000 de ore cu teste periodice ASTM A262 Practice A (gravare cu acid oxalic) și Practice E (cupru-sulfat de cupru), a determinat următorii timpi pentru începutul sensibilizării:

Alloy Niobium (wt %) Carbon (wt %)Nb:C weight ratio NbC fraction Volume (%) Sensitisation time at 550°C (h) ASTM A262 Practice A after 10,000hRecommended for >10,000 hours at 550°C 316L 0 0.020 0 0 5,000-10,000 Ditch (sensitized) No 316L (extra low C) 0 0.010 0 0 10,000-20,000 Dual (transition) Marginal 347 (under-stabilized) 0.15 0.040 3.8 0.02-0.05 10,000-20,000 Dual Acceptable 347 (minimally stabilized) 0.20 0.040 5.0 0.04-0.08 20,000-30,000 Step (mostly) Recommended 347 (properly stabilized) 0.40 0.040 10 0.08-0.15 >50,000 Step Best 347 (fully stabilized) 0.60 0.040 15 0.12-0.20 >50,000 Step Best 347 (over-stabilized) 0.80 0.040 20 0.15-0.25 >50.000 (dar stringers NbC) Pas (dar riscul de ferită) Atenție Acceptabilă 347 (C mare) 0.40 0.060 6.7 0.10-0.18 30,000-40.000 Pas Recomandat
Efectul recoacerii de stabilizare asupra precipitarii NbC

După recoacere cu soluție, o recoacere de stabilizare la 850-900 de grade induce precipitarea de NbC fin, intragranular, maximizând fixarea carbonului și prevenind sensibilizarea ulterioară.

Secvență de tratament termic NbC Morfologie Timp până la sensibilizare la 550oC (ore) Recomandat pentru serviciu pe termen lung (LTS)
Numai recoacere în soluție (1050 de grade, stins cu apă) Numai NbC primar (gros, ceva C în soluție) 15.000-30.000 Acceptabil
Solution anneal + stabilisation (850°C, 2 h)Fine intragranular NbC (most C fixed) >50.000 Cel mai bun
Solution anneal + stabilisation (900°C, 4h)>50.000 Best Foarte fin NbC, fixare C completă
Stabilizare brută fără soluție de recoacere numai NbC (incompletă) 10.000-20.000 Limită
Fără stabilizare (așa cum este sudat) Mixt 5.000-15.000 Nerecomandat
Recomandări practice pentru selectarea încălzitorului pentru service la 550 de grade

Pentru funcționarea continuă a încălzitoarelor învelite la 550 de grade, se aplică următorii parametri pentru selectarea aliajului, în funcție de durata de viață prevăzută:

Durată de viață dorită la 550 de grade (ore) Aliaj sugerat Cerință minimă de stabilizare Rezistență la sensibilizare așteptată Factorul de cost<5,000 316L (0.03%C) None Acceptable 1.0× 5,000-10,000 316L (0.02%C) or 347 (minimum)1.1×10,000-20,000 347 (well stabilised) 850°C, 2h Marginal None for 316L; stabilisation optional for 347Good 1.3× 20,000-50,000 347 (completely stabilized) 900°C, 4h Excellent 1.4× >50,000 347 + high Nb (0.6-0.8%) Full stabilisation + fine grain Best 1.5× >50.000 (mediu coroziv) oțel inoxidabil 310 (fără sensibilizare) N/A Nu se aplică 2,0× Verificarea eficacității stabilizării

Următoarele cerințe de aprobare se aplică cumpărătorilor care specifică 347 pentru servicii de înaltă temperatură pe termen lung:

ASTM A262 Practică A: Structură în trepte (limite netede ale granulelor) după durata de viață prevăzută completă sau după îmbătrânire accelerată (1.000 h la 650 de grade)

ASTM A262 Practică E: După îmbătrânire Trecut (fără crăpare după îndoire)

Niobium to carbon ratio: Nb/C weight ratio >= 10 (ideal 12-15) pe certificatul morii

Certificare de recoacere de stabilizare: timpul și temperatura (adică . 900 grade C timp de 4 ore) înregistrate

Concluzie: 347 peste 316 litri pentru service extins la 550 de grade

Carbon diffusion in 316L stainless steel heater sheaths at 550°C leads to chromium carbide precipitation and sensitisation after 5,000-10,000 hours of operation, making it susceptible to intergranular corrosion. Type 347 (niobium stabilised) with correct ratio of Nb:C (≥10:1) and stabilisation annealing (850-900°C, 2-4 hours) is not sensitised for >50.000 de ore datorită depunerii permanente a carbonului ca NbC intragranular. Pentru un serviciu continuu peste 500 de grade, cu cerințe de viață care depășesc 5.000-10.000 de ore, inginerii care specifică încălzitoare cu carcasă ar trebui să aleagă 347 în loc de 316L. Pentru cele mai solicitante aplicații (condiții de coroziune + temperatură ridicată) oțelul inoxidabil 310 (25Cr-20Ni) va oferi și mai multă rezistență, dar la un cost mai mare. Acest cadru permite cumpărătorilor să aleagă cel mai stabilizat aliaj pentru funcționarea pe termen lung într-un încălzitor la temperatură ridicată prin corelarea fracțiunii de volum NbC cu duratele de pornire a sensibilizării la 550 de grade.