Kāpēc 316 nerūsējošā tērauda apvalka elektriskās sildīšanas caurules izkausētā urīnvielas šķīdumā 130–160 grādu temperatūrā 12 mēnešos attīsta starpgranulu karburizāciju un trauslumu, vienlaikus saglabājot kaļamu urīnvielas ūdens šķīdumā?

Elektriskās sildīšanas caurules, ko izmanto urīnvielas ražošanā, galvenokārt karbamāta kondensatoros, urīnvielas granulēšanas torņos un kausējuma uzglabāšanas tvertnēs, tiek pakļautas kausētai urīnvielai (NH 2 -CO-NH 2 ) 130–160 grādu temperatūrā. Vairāku slāpekļa mēslojuma iekārtu darbības traucējumi liecina, ka 316 nerūsējošā tērauda apvalki kļūst trausli un saplīst pēc 6–12 mēnešu ilgas izkausētas urīnvielas lietošanas. Identiskus sildītājus gadiem ilgi izmanto urīnvielas ūdens šķīdumos (32% N šķīdums, apkārtējā temperatūra līdz 60 grādiem) bez līdzīga bojājuma. Izkausētā urīnvielas atteices process ir karburizācija, oglekļa difūzija 316 nerūsējošā tērauda režģī un iekšējo hroma karbīdu nogulsnēšanās. Temperatūrā, kas pārsniedz 130 grādus, izkausēta urīnviela sadalās par ciānskābi (HNCO), amonjaku un biuretu, kas tālāk sadalās, veidojot aktīvās oglekļa formas. Šo oglekļa atomu difūzijas ātrums apvalka virsmā ir 10-100 reizes lielāks nekā gāzveida karburēšanas atmosfērā tajā pašā temperatūrā, pateicoties efektīvai masas pārnesei šķidrā vidē. Karburētajā slānī ir noplicināts hroms (hroms tiek piesaistīts kā karbīdi), un tas tiek pārveidots no kaļamā austenīta par cietu, trauslu karbīdu un martensīta maisījumu. Pēc tam trauslais slānis saplīst siltuma cikla vai mehāniskās slodzes ietekmē, radot plaisas, kas izplatās caur atlikušo kaļamo serdi. Šajā rakstā ir novērtēta 316 karburizācijas kinētika izkausētā urīnvielā, no tā izrietošā trausluma un sniegta informācija par sakausējumu izvēli urīnvielas kausēšanas pakalpojumam.

Karbamīda oglekļa aktivitātes termiskā sadalīšanās
Urea has a melting point of 133°C. Above this temperature it has two competing breakdown processes . The principal reaction at 130-160°C is: NH₂-CO-NH₂ → HNCO + NH₃. Cyanic acid (HNCO) trimerizes to cyanuric acid or combines with urea to provide biuret: NH₂-CO-NH₂ + HNCO → NH₂-CO-NH-CO-NH₂ (biuret). The biuret is decomposed further at temperatures over 160 °C: NH₂ - CO - NH - CO - NH₂ ->2HNCO + NH₃. Tiek lēsts, ka oglekļa līdzsvara aktivitāte izkausētā urīnvielā 150 grādu temperatūrā ir 0,3–0,6, kas ir pietiekami augsta, lai karburizētu austenīta nerūsējošo tēraudu. Turpretim oglekļa aktivitāte parastās karburēšanas krāsns atmosfērā (0,8–1,0% C potenciāls) ir robežās no 0,8 līdz 1,2. Oglekļa aktivitāte izkausētā urīnvielā ir zemāka nekā rūpnieciskās gāzes karburizācijā, taču saglabājas ievērojama ilgstošas ​​iedarbības laikā (no mēnešiem līdz gadiem).

Galvenā atšķirība no urīnvielas ūdens ir būtiska. Urīnviela ūdens šķīdumā ir stabila un nesadalās zem 100 C. Ūdens karbamīda sildītājos tiek novērota tikai urīnvielas molekula, kas nekarburizē. Kausētā urīnvielā sadalīšanās produkti veido aktīvo ogli temperatūrā virs 133 grādiem, un nav ūdens, kas nomāktu karburizāciju (ūdens gāzes reakcija: H2O + C → CO + H₂ noņemtu oglekli, ja būtu ūdens, bet izkausēta urīnviela ir sausa).

Karburizācijas dziļuma un mikrostruktūras evolūcijas kvantitatīva noteikšana
Ir veikti kontrolēti ekspozīcijas testi ar 316 nerūsējošā tērauda kuponu paraugiem (2 mm biezs, šķīduma atkvēlināts), kas iegremdēts izkausētā urīnvielā (tehniskā kvalitāte, 99,5%) 145 grādi, 150 grādos un 160 grādos līdz 10 000 stundām (apmēram 14 mēnešus). Paraugi tika ņemti ar intervālu, sadalīti un analizēti oglekļa satura noteikšanai ar degšanas analīzi, karbīda nogulsnēšanos ar metalogrāfiju un trauslumu ar lieces testu.

Temperatūra ( grāds ) Ekspozīcijas laiks (stundas) Korpusa dziļums (µm, 0,1% C pieaugums) Virsmas ogleklis (masa%, sākotnējais 0,03-0,06%) Cr samazinājums virsmā (masa%, sākotnējais 16-17%) Liekšanas elastība (atlikušais pagarinājums, % no sākotnējā garuma)
145 1000 15 0.18 14.2 85% 145 2000 30 0.32 12.8 60% 145 4000 60 0.55 10.5 30% 145 6000 80 0.70 9.0 15% 145 8000 100 0.82 7.8 5% (trausls lūzums) 145 10000 120 0.91 6.5<5% (very brittle) 150 4000 90 0.68 9.5 20% 160 2000 100 0.85 8.0 10%
Karburizācijas kinētika ir paraboliska: korpusa dziļums ir proporcionāls laika kvadrātsaknei. Korpusa dziļums 120 µm tika sasniegts pēc 10 000 stundām 145 grādu temperatūrā. Šeit hroms tika noņemts no 16–17% līdz pat 6,5%, pārveidojot austenītu hroma karbīdu (Cr₂3C₆) un ar oglekli pārsātināta martensīta maisījumā. Trauslums ir nopietns: lieces elastība tika samazināta līdz 15% no sākotnējās pēc 6000 stundām (8,5 mēnešiem), un paraugi tika sadragāti ar minimālu deformāciju. Pēc 10 000 stundām (14 mēnešiem) materiāls bija stikls,{17}}kā lieces, plīst pie mazāk nekā 1% deformācijas.

Kļūmes režīms: ogļhidrātu slāņa plaisāšana un izplešanās
Karburizētā virsmas slāņa termiskās izplešanās koeficients ir aptuveni par 20% zemāks nekā nepārkarbētā serdeņa. Termiskie spriegumi termiskās cikla laikā, piemēram, sildītāja ieslēgšanas/izslēgšanas cikli vai procesa apturēšana, izraisa trauslā karburētā slāņa plaisāšanu. Kad lūzums attīstās, tas var pārvietoties pa karbīda tīkliem vai cauri graudu robežām. Ārkārtējos apstākļos pārkarbojušā metāla slānis nolobās, pakļaujot svaigu metālu pārkarbošanai un paātrinot procesu.

Karbamīda granulēšanas torņa (150 °C, 12 mēnešu kalpošanas laiks) bojātu apvalku lauka pārbaudē atklājās 150–200 mikronu lielais karburēts korpuss ar ievērojamu plaisāšanu perpendikulāri virsmai. Plaisas nekarbonizētajā kodolā izstiepās līdz 50–100 µm, un dažas no tām bija izkļuvušas cauri visam 1,5 mm sieniņu biezumam. Lūzuma virsmā bija jaukts starpgranulārs un transgranulārs lūzums bez ievērojamas deformācijas, kas apstiprināja trauslumu.

Urīnvielas tīrības un piedevu ietekme uz karburizācijas ātrumu
Komerciālā urīnviela ražošanas procesā parasti satur biuretu (0,5–1,5%) kā piemaisījumu. Biurēts ir reaktīvāks nekā urīnviela un paātrina karburizāciju. Testi 150 grādos 2000 stundu laikā, salīdzinot tīru urīnvielu (99,9%,<0.1% biuret) with technical grade urea (99.0%, 0.8% biuret) showed:

Biureta saturs urīnvielas pakāpē (%) Karburizētā korpusa dziļums 2000 stundās (µm) Virsmas ogleklis (masa%) Karburizācijas ātrums (relatīvais)
Tīra urīnviela (laboratorijas pakāpe)<0.1 35 0.48 1.0 (base line)
Tehniskā pakāpe (standarta lauksaimniecības) 0.8 55 0.62 1.6
Tehniskā klase ar formalīna piedevu (0,5 %) 0.8 + HCHO 25 0.40 0.7 (inhibēts)
Karbamīdu dažreiz papildina ar formalīnu (formaldehīdu), lai samazinātu biureta veidošanos un atbrīvotu aktīvās oglekļa sugas. Tests parādīja, ka formalīns ievērojami palēnina karburizācijas ātrumu, kas izskaidro pagarināto sildītāja kalpošanas laiku, par ko ziņo dažas urīnvielas rūpnīcas, kurās izmanto apstrādātu urīnvielu.

Alternatīvu materiālu kausēta urīnvielas serviss
Daži materiāli ir izturīgāki pret karburizāciju izkausētā urīnvielā. Izvēle ir atkarīga no temperatūras un paredzamā kalpošanas laika.

Sheath Material Carburised Case Depth at 150°C, 5000 hrs (µm) Surface Hardness (HV, after exposure)Embrittlement (bend ductility loss)Relative CostRecommended for Molten Urea >140 grādi
316 nerūsējošais tērauds 100 450 (trausls) Spēcīgs (95% zudums) 1,0 Nē (neatbilst 8–12 mēnešus)
310 SS (25Cr-20Ni) 60 350 Vidēji (60% zudums) 1,8 Margināls, 18-24 mēneši
Alloy 800 (32Ni-21Cr) 25 280 Viegls (30% zudums) 2,5 Pieņemams, 36-48 mēneši
Alloy 600 (72Ni-15Cr-8Fe) 8 220 Minimāls (10% zudums) 5,0 Labs, 60+ mēneši
Sakausējums 601 60Ni-23Cr-14Fe 5 210 Zems 5,5 Teicami
Titāna klase 2 0 (bez karburizācijas) 180 (tas pats)Nav 2.2 Lielisks, taču pastāv nitrēšanas risks 180oC temperatūrā
Sakausējums 600 (Inconel 600) ir efektīvi izmantots urīnvielas kausējuma sildītājos +5 gadus 140–150 grādu temperatūrā. Ievērojamais niķeļa daudzums (72%) aizkavē oglekļa difūziju un stabilizē austenītu pret karbīda nokrišņiem. Sakausējums 601, kas ir salīdzināms ar niķeli, bet ar lielāku hroma saturu, ir ievērojami izturīgāks. Titāna 2. pakāpe nekarburizējas tādā pašā veidā (titāns rada virsmas TiC slāni, kas bloķē papildu oglekļa iekļūšanu), bet var būt neaizsargāts pret nitridēšanu no amonjaka sadalīšanās produktiem virs 180 grādiem. Titāns ir piemērots virs 130–160 grādiem.

Specifikācija Valoda Kausēta urīnvielas sildītāji
Neizmantojiet 316 nerūsējošo tēraudu elektriskās apkures caurulēm, kas iegādātas apkopei ar izkausētu urīnvielu temperatūrā, kas pārsniedz 133 grādus. Ja kalpošanas laiks ir ilgāks par 24 mēnešiem, minimālā prasība ir Alloy 600 (UNS N06600) vai Alloy 601 (UNS N06601) apvalka materiāls. Iespējamais 310 nerūsējošā tērauda (UNS S31000) pielietojums pakalpojumiem ar paredzēto urīnvielas temperatūru zem 145 grādiem un biureta saturu zem 0,5%, taču nepieciešams ikgadējs sienu biezuma mērījums un plānota nomaiņa 18–24 mēnešos. Ja 316 ir jāizmanto esošās sistēmās, iekļaujiet šādas prasības: saglabāt pēc iespējas zemāku urīnvielas temperatūru (ideālā gadījumā 135–140 grādi, nepārsniedzot 145 grādus); samazināt biureta saturu (ja iespējams, izmantojiet urīnvielu ar formalīnu); darboties nepārtraukti, lai izvairītos no termiskā cikla; un nomainiet apvalkus ik pēc 6 mēnešiem neatkarīgi no izskata. Jaunām iekārtām titāna 2. vai 7. pakāpe piedāvā labu izmaksu un veiktspējas līdzsvaru, izkausējot urīnvielu līdz 160 grādiem, ar nosacījumu, ka sildītājs netiek pakļauts temperatūrai virs 180 grādiem, kur titāna nitrēšana kļūst par problēmu. Inženieri atzīst, ka izkausēta urīnviela ir karburēšanas vide, kas ļoti atšķiras no urīnvielas ūdenī, un var izvēlēties materiālus, kas ir izturīgi pret oglekļa difūziju un trauslumu, palielinot sildītāja kalpošanas laiku no mēnešiem līdz gadiem.