Ce presiune parțială critică a oxigenului în gazele de combustie la o temperatură a mantalei de 600 de grade previne oxidarea accelerată a tuburilor de încălzire din oțel inoxidabil 316

Limita potențialului de oxidare pentru formarea de scame de protecție

Pentru tuburile electrice de încălzire cu manta din oțel inoxidabil 316 în medii cu gaz de ardere, cum ar fi încălzitoarele de conducte, atmosferele cuptorului sau sistemele de recirculare a gazelor de eșapament, presiunea parțială a oxigenului (pO2) din gazul înconjurător va determina dacă manta formează un strat protector de oxid de crom sau suferă o oxidare accelerată (oxidarea volatilității sau instabilitate). În funcție de vaporii de apă și de alte specii reactive, pO2 critică pentru o scară stabilă de Cr2O3 la temperaturi ridicate ale învelișului (600 de grade C, reprezentativ pentru aplicațiile de încălzire a aerului, dar la limita superioară pentru 316) este de ordinul 10-10 până la 10{13}}15 atm. Dacă nivelul de oxigen scade sub acest prag, oxidul de crom este diminuat, iar oxizii de fier formează o scară ne-protectivă cu dezvoltare rapidă. Peste acest prag (medii bogate în oxigen, cum ar fi aerul la 0,21 atm pO2), se dezvoltă un strat subțire de Cr2O3 care aderă, oferind protecție pe termen lung. Dar cu prea multă presiune parțială a oxigenului, vaporii de apă pot fi formați în oxihidroxidii de crom volatili, ceea ce reduce grosimea scalei. În acest studiu, fereastra sigură de pO2 pentru 316 teci la 600 de grade este cuantificată și sunt furnizate criteriile mediului de ardere pentru prelungirea duratei de viață a încălzitorului.

Mecanismul stabilității și volatilității oxidului de crom

Scara de protecție a oțelului inoxidabil 316 la temperatură ridicată este în mare parte Cr 2 O 3 , care se formează prin oxidarea selectivă a cromului. Pentru stabilitatea Cr2O3, presiunea parțială a oxigenului ambiental trebuie să fie mai mare decât presiunea de disociere a oxidului de crom la temperatura respectivă. Presiunea de disociere a Cr₂O₃ (pO₂ la care Cr₂O₃ se descompune în Cr metalic și O₂) este de ~10⁻²⁶ atm la 600 de grade, mult sub nivelul de oxigen al gazelor normale de ardere. Cu toate acestea, în prezența vaporilor de apă, Cr2O3 este transformat într-o formă volatilă de oxihidroxid de crom: Cr2O3(s) + 2H2O(g) + 3/2O2(g) → 2CrO2(OH)2(g). Această reacție elimină scara de protecție într-un ritm care depinde de pO2 și pH2O. Volatilitatea maximă apare la pO2 în intervalul aproximativ 10-10-10-12 atm, mai degrabă decât la o pO2 foarte mare sau foarte scăzută. Acest lucru sugerează că atmosferele de ardere ușor slabe (deficiente de oxigen) sunt, de fapt, mai corozive până la 316 decât atmosferele complet oxidante (aer) sau substanțial reducătoare.

Ferestre cu pO₂ cuantificate pentru formarea scalei de protecție la 600 de grade

Viteza de oxidare a oțelului inoxidabil 316 în funcție de presiunea parțială a oxigenului a fost determinată prin testare termogravimetrică controlată la 600 de grade în combinații de gaze de diferite pO₂ și pH₂O.

Presiune parțială a oxigenului (atm) Presiune parțială a vaporilor de apă (atm) Viteza de oxidare formată în scară (mg/cm2-h) după 500 de ore Aderență la scară Recomandat pentru service la 600 de grade 0,21 (aer)<0.01 Cr2O3 (thin, protective) <0.02 Excellent Yes 0.21 (air) 0.10-0.30 Cr2O3 + slight volatilisation 0.02-0.05Good Yes (under supervision)
0.21 (air) >0,30 Volatilizare sporită, subțiere 0,05-0,10 Moderat Marginal
10-5 până la 10-8 (combustie slabă) 0,05-0,15 Mixt Cr2O3/Fe2O3 0.10-0.30 Slab Nerecomandat 10-9 până la 10-12 (combustie stoechiometrică) 0,10-0,20 FeCr2O4 spinel + volatilizare 0,30-1,00 Foarte slabă sau inacceptabilă
10-12 până la 10-15 (combustie bogată) 0,10-0,20 Fe 3 O 4 (magnetită) 1,00-3,00 Foarte slab (scărcări) Inacceptabil<10-15 (strongly reducing) <0.01 FeO (wustite) >5.00 Ne-protectiv Inacceptabil
Impactul sulfului combustibilului și al altor produse de ardere

Pe lângă oxigen și vapori de apă, gazele de ardere derivate din combustibilii fosili conțin dioxid de sulf (SO2) și urme de metale care catalizează oxidarea 316. Cr₂O₃ interacționează cu SO₂ pentru a produce sulfuri de crom, care descompun scara protectoare și duc la oxidare. Pentru 316 la 600 de grade, viteza de oxidare este dublată de o concentrație de sulf în combustibil mai mare de 50 ppm (corespunzând la aproximativ 100 ppm SO2 în gazele de ardere). Pentru combustibili cu sulf care depășește 500 ppm (de exemplu, păcură sau cărbune cu conținut ridicat de sulf) 316 nu este recomandat pentru temperaturi de înveliș peste 500oC. Gazele de ardere care conțin clor (de la arderea materialelor plastice clorurate sau a unor deșeuri) sunt și mai agresive, producând cloruri metalice volatile la rate de 10-100 de ori mai mari decât coroziunea pe bază de oxid. Analiza compoziției combustibilului este necesară pentru orice aplicație în care 316 teci sunt supuse impactului cu gazul de ardere.

Specificații practice pentru utilizarea încălzitoarelor cu ardere

Următorii parametri sunt pentru încălzitoarele cu manta 316 în medii cu gaz de ardere la o temperatură a mantalei de 600 de grade pentru a asigura producerea unei scari de protecție și rate acceptabile de creștere a oxidului. Arderea trebuie efectuată cu exces de aer (circumstanțe oxidante, pO2 > 0,01 atm) pentru a păstra scala Cr2O3 – contrar credinței obișnuite că atmosferele reducătoare sunt mai puțin corozive. Presiunea parțială a vaporilor de apă trebuie menținută sub 0,15 atm (15% umiditate în volum). Acest lucru se poate face prin pre-uscare a aerului de ardere sau prin utilizarea unui combustibil cu conținut scăzut de hidrogen. Combustibilul ar trebui să aibă o concentrație de sulf mai mică de 0,05 % (500 ppm) și, în mod ideal, mai mică de 0,01 % (100 ppm). Dacă oricare dintre acești parametri nu poate fi atins, materialul învelișului ar trebui să fie actualizat la oțel inoxidabil 310 (25Cr-20Ni) sau Inconel 600, ambele având o toleranță mai mare la o pO2 redusă și la vapori de apă mai mari.

Diagnosticul de teren al eșecului de oxidare indus de pO2

Morfologia scării pentru 316 teci care se defectează în serviciul gazelor de ardere distinge între cauzele legate de presiunea parțială a oxigenului. În condiții de oxidare (exces de aer), scara este subțire (<10 µm), greenish-gray (Cr2O3) and homogeneous. The scale is thick (>50 µm), negru, stratificat și prezintă adesea zone sparte în circumstanțe stoichiometrice sau ușor reducătoare. Scara este gri închis, poroasă, neaderentă și conține wustită (FeO), determinată prin difracția de raze X-în circumstanțe extrem de reducătoare. Atacul generat de sulf are ca rezultat o microstructură distinctă de scară care este cunoscută sub numele de „sulfide stringer”. Dacă încălzitorul are depuneri puternice și se depune, mediul de ardere ar trebui schimbat pentru a oferi mai mult aer suplimentar sau încălzitorul trebuie mutat din zona de vârf-de oxigen.

Concluzie: Menținerea condițiilor de oxidare pentru longevitatea încălzitorului cu ardere 316

PO 2 esențial pentru producerea scării protectoare de Cr 2 O 3 pe încălzitoare cu carcasă din oțel inoxidabil 316 la 600 de grade în atmosfere cu gaz de ardere este peste aproximativ 10-2 atm (2 % oxigen în volum). Arderea stoechiometrică sau puțin bogată în combustibil-(pO2=10-9 până la 10-12 atm) duce la o dezvoltare rapidă și neprotectivă a oxidului și la volatilitatea calcarului și reduce durata de viață a încălzitorului de la 20.000 de ore la 500-2.000 de ore. Inginerii care specifică 316 teci pentru încălzitoare sau aplicații de evacuare trebuie să se asigure că arderea se desfășoară în surplus de aer (minimum 3-5% O₂ în gazele de ardere) și că conținutul de sulf din combustibil este reglementat. Acest cadru conectează presiunea parțială a oxigenului cu rate măsurabile de oxidare. Permite cumpărătorilor să aleagă condiții de ardere care să păstreze scara de protecție de oxid de crom pe mantaua încălzitorului 316 și să evite oxidarea prin rupere și defecțiunea prematură.