Kāds kritiskais skābekļa daļējais spiediens sadegšanas gāzēs 600 grādu apvalka temperatūrā novērš 316 nerūsējošā tērauda sildītāja cauruļu paātrinātu oksidēšanos

Oksidēšanas potenciāla robeža aizsargājošu nogulšņu veidošanās gadījumā

316 nerūsējošā tērauda elektriskās apkures caurulēm ar apvalku sadegšanas gāzu vidē, piemēram, kanālu sildītājos, krāsns atmosfērā vai izplūdes gāzu recirkulācijas sistēmās, skābekļa daļējais spiediens (pO2) apkārtējā gāzē noteiks, vai apvalks veido aizsargājošu hroma oksīda nogulsnējumu vai piedzīvo paātrinātu oksidēšanos (iztvaikošanas spēju) vai atdalīšanās spēju. Kā funkcija no ūdens tvaiku un citām reaktīvām vielām, kritiskais pO2 stabilai Cr2O3 skalai pie augstām apvalka temperatūrām (600 ° C, kas atbilst gaisa sildīšanas lietojumiem, bet augstākajā līmenī attiecībā uz 316) ir aptuveni 10-10 līdz 10{13}}15 atm. Ja skābekļa līmenis nokrītas zem šī sliekšņa, hroma oksīds tiek samazināts un dzelzs oksīdi veido ātri attīstošu neaizsargājošu skalu. Virs šī sliekšņa (ar skābekli bagāta vide, piemēram, gaiss pie 0,21 atm pO2) izveidojas plāns Cr2O3 slānis, kas pielīp, nodrošinot ilgstošu aizsardzību. Bet ar pārāk lielu skābekļa parciālo spiedienu gaistošajos hroma oksihidroksīdos var veidoties ūdens tvaiki, kas samazina skalas biezumu. Šajā pētījumā ir kvantitatīvi noteikts drošs pO2 logs 316 apvalkiem pie 600 grādiem un sniegti sadegšanas vides kritēriji sildītāja kalpošanas laika pagarināšanai.

Hroma oksīda stabilitātes un nepastāvības mehānisms

Aizsardzības skala uz 316 nerūsējošā tērauda augstā temperatūrā galvenokārt ir Cr 2 O 3 , kas veidojas, selektīvi oksidējoties hromam. Lai nodrošinātu Cr2O3 stabilitāti, apkārtējā skābekļa parciālajam spiedienam ir jābūt augstākam par hroma oksīda disociācijas spiedienu attiecīgajā temperatūrā. Cr₂O3 disociācijas spiediens (pO2, kurā Cr2O3 sadalās par metālisku Cr un O2) ir ~10⁻²6 atm pie 600 grādiem, kas ir krietni zemāks par parasto sadegšanas gāzu skābekļa līmeni. Tomēr ūdens tvaiku klātbūtnē Cr2O3 tiek pārveidots par gaistošu hroma oksihidroksīda formu: Cr2O3(s) + 2H2O(g) + 3/2O2(g) → 2CrO2(OH)2(g). Šī reakcija novērš aizsardzības skalu tādā tempā, kas ir atkarīgs no pO2 un pH2O. Maksimālā nepastāvība notiek pie pO2 aptuveni 10-10-10-12 atm diapazonā, nevis pie ļoti augsta vai ļoti zema pO2. Tas liek domāt, ka nedaudz liesa (skābekļa deficīta) sadegšanas atmosfēra faktiski ir kodīgāka pret 316 nekā pilnībā oksidējoša (gaiss) vai būtiski reducējoša atmosfēra.

Kvantitatīvie pO₂ logi aizsargājošas skalas veidošanai 600 grādu leņķī

316 nerūsējošā tērauda oksidācijas ātrums kā skābekļa daļējā spiediena funkcija tika noteikts ar kontrolētu termogravimetrisko testu 600 grādu temperatūrā dažādu pO₂ un pH2O gāzu kombinācijās.

Skābekļa daļējais spiediens (atm) ūdens tvaiku parciālais spiediens (atm) skalas veidošanās oksidācijas ātrums (mg/cm2-h) pēc 500 stundām Mēroga pieķeršanās Ieteicamais 600 grādu ekspluatācijai 0,21 (gaiss)<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 Pastiprināta iztvaikošana, retināšana 0,05–0,10 Mērena robežvērtība
10-5 līdz 10-8 (liesa degšana) 0,05-0,15 Jaukts Cr2O3/Fe2O3 0.10-0.30 Slikti Nav ieteicams 10-9 līdz 10-12 (stehiometriskā sadegšana) 0,10-0,20 FeCr2O4 spinelis + ļoti slikta iztvaikošana 0.030-1 nepieņemama.
10-12 līdz 10-15 (bagātīga sadegšana) 0,10-0,20 Fe 3 O 4 (magnetīts) 1,00-3,00 Ļoti slikti (izšļakstīšanās) Nepieņemami<10-15 (strongly reducing) <0.01 FeO (wustite) >5.00 Ne-aizsardzība Nepieņemami
Degvielas sēra un citu sadegšanas produktu ietekme

Papildus skābeklim un ūdens tvaikiem sadegšanas gāzes, kas iegūtas no fosilā kurināmā, satur sēra dioksīdu (SO2) un metālu mikroelementus, kas katalizē oksidāciju 316. Cr2O3 mijiedarbojas ar SO₂, veidojot hroma sulfīdus, kas noārda aizsargājošo zvīņu un izraisa atdalošos oksidācijas procesus. 316 pie 600 grādiem oksidācijas ātrumu dubulto sēra koncentrācija degvielā, kas pārsniedz 50 ppm (atbilst aptuveni 100 ppm SO 2 dūmgāzēs). Degvielai, kuras sēra saturs pārsniedz 500 ppm (piemēram, degvieleļļai vai akmeņoglēm ar augstu sēra saturu), 316 nav ieteicams lietot apvalka temperatūrām virs 500 oC. Hloru saturošas sadegšanas gāzes (no hlorētas plastmasas vai dažu atkritumu sadegšanas) ir vēl agresīvākas, veidojot gaistošus metālu hlorīdus ar ātrumu, kas 10–100 reizes pārsniedz oksīdu koroziju. Degvielas sastāva analīze ir nepieciešama jebkuram lietojumam, kur 316 apvalki ir pakļauti sadegšanas gāzes triecienam.

Degšanas sildītāju lietošanas praktiskā specifikācija

Šie parametri ir paredzēti 316 apvalkotiem sildītājiem sadegšanas gāzes vidē 600 grādu apvalka temperatūrā, lai nodrošinātu aizsargājošas skalas veidošanos un pieņemamus oksīdu augšanas ātrumus. Degšana jāveic ar gaisa pārpalikumu (oksidējoši apstākļi, pO2 > 0,01 atm), lai saglabātu Cr2O3 skalu – pretēji ierastajam uzskatam, ka reducējošā atmosfēra ir mazāk kodīga. Ūdens tvaiku daļējam spiedienam jābūt zem 0,15 atm (15% mitruma pēc tilpuma). To var izdarīt, iepriekš{11}}izžāvējot sadegšanas gaisu vai izmantojot degvielu ar zemu ūdeņraža saturu. Degvielas sēra koncentrācijai jābūt mazākai par 0,05 % (500 ppm) un ideālā gadījumā mazākai par 0,01 % (100 ppm). Ja kādu no šiem parametriem nevar sasniegt, apvalka materiāls ir jāuzlabo līdz 310 nerūsējošajam tēraudam (25Cr-20Ni) vai Inconel 600, kuriem abiem ir lielāka tolerance pret samazinātu pO2 un lielāku ūdens tvaiku.

PO2 izraisītas oksidācijas atteices lauka diagnostika

Mēroga morfoloģija 316 apvalkiem, kas nedarbojas sadegšanas gāzes darbībā, nošķir cēloņus, kas saistīti ar skābekļa daļējo spiedienu. Oksidējošos apstākļos (gaisa pārpalikums) skala ir plāna (<10 µm), greenish-gray (Cr2O3) and homogeneous. The scale is thick (>50 µm), melns, slāņains, un stehiometriskos vai nedaudz samazinošos apstākļos bieži ir redzami izkliedēti laukumi. Skala ir tumši pelēka, poraina, nelipīga un satur wustītu (FeO), kas noteikts ar rentgenstaru difrakciju ļoti mazinošos apstākļos. Sēra radītā uzbrukuma rezultātā veidojas tāda mēroga mikrostruktūra, kas ir pazīstama kā "sulfīda virkne". Ja sildītājam ir lielas nogulsnes un plaisas, ir jāmaina sadegšanas vide, lai nodrošinātu vairāk gaisa, vai arī sildītājs ir jāpārvieto ārpus maksimālās skābekļa trūkuma zonas.

Secinājums: Oksidēšanas apstākļu uzturēšana 316 sadegšanas sildītāja ilgmūžībai

Būtiskais pO 2 aizsargājošas Cr 2 O 3 skalas ražošanai uz 316 nerūsējošā tērauda korpusa sildītājiem 600 grādu temperatūrā sadegšanas gāzes atmosfērā ir virs aptuveni 10-2 atm (2 % skābekļa pēc tilpuma). Stehiometriskā vai nedaudz ar degvielu bagātā sadegšana (pO2=10-9 līdz 10–12 atm) izraisa ātru un neaizsargājošu oksīdu veidošanos un mēroga nepastāvību, kā arī samazina sildītāja kalpošanas laiku no 20 000 stundām līdz 500 –2000 stundām. Inženieriem, kas nosaka 316 apvalkus kurināmiem sildītājiem vai izplūdes ierīcēm, ir jānodrošina, lai degšana notiek pārpalikumā gaisā (minimums 3–5% O₂ dūmgāzēs) un lai kurināmā sēra saturs tiktu regulēts. Šī sistēma savieno skābekļa daļējo spiedienu ar izmērāmiem oksidācijas ātrumiem. Tas ļauj pircējiem izvēlēties sadegšanas apstākļus, kas saglabā aizsargājošo hroma oksīda skalu uz 316 sildītāja apvalkiem un ļauj izvairīties no oksidēšanās un priekšlaicīgas atteices.