Kāpēc 316 nerūsējošā tērauda apvalka elektriskās sildīšanas caurules karstās-galvanizācijas vannās sabojājas starpgranulu korozijas dēļ 450–480 grādu leņķī, neskatoties uz nenozīmīgo hlorīda saturu?

Izkausētā cinka cinkošanas vannu vide ir ārkārtīgi naidīga pret iegremdētām elektriskās apkures caurulēm un izaicina tradicionālos 316 nerūsējošā tērauda korozijas izturības jēdzienus. Vannas temperatūra 450-480 grādi, kas ir ievērojami zemāka par parasto sensibilizācijas temperatūras diapazonu — 450-850 grādi hroma karbīda nogulsnēšanai, šķiet, ir droša austenīta nerūsējošajiem tēraudiem. No otras puses, cinkošanas rūpnīcās radušās kļūdas uz lauka konsekventi uzrāda starpkristālu koroziju un 316 nerūsējošā tērauda apvalku plaisāšanu pēc 3-9 mēnešu ekspluatācijas, ja nav hlorīdu un kausēta cinka klātbūtne, kas pēc savas būtības nav kodīgs nerūsējošajam tēraudam tradicionālajā elektroķīmiskajā nozīmē. Bojāto apvalku metalurģiskā izpēte liecina par atšķirīgu procesu, ti, šķidro metālu trauslumu (LME), ko izraisa cinka iespiešanās gar graudu robežām, kas saistīts ar sigma (σ) fāzes -, cietas un trauslas dzelzs un hroma (FeCr) intermetāliskas kombinācijas, nogulsnēšanos. Ilgstoša siltuma iedarbība pie 450-480 grādiem, kas ir karbīdu sensibilizācijas diapazonā, ir svarīgajā temperatūras diapazonā sigma fāzes attīstībai molibdēnu saturošajos austenīta nerūsējošajos tēraudos, piemēram, 316. Šādās temperatūrās sigma fāze notiek no ferīta vai ferīta pārslīdēšanas. martensīts) pēc 1000–3000 stundām. Tas patērē hromu no tuvējiem austenīta graudiem un rada hroma noplicinātas zonas, kas kļūst jutīgas pret cinka starpgranulu iespiešanos. Šajā rakstā ir novērtēta sigmas fāzes attīstības kinētika cinkošanas temperatūrās un sniegta informācija sildītāju sakausējuma izvēlei kausēta cinka servisā.

Metalurģiskās izmaiņas 316 nerūsējošā tēraudā cinkošanas temperatūrā
Standarta 316 nerūsējošais tērauds satur 2–3% molibdēna, lai palielinātu izturību pret dubļu veidošanos hlorīda apstākļos. Tomēr molibdēns ļoti veicina sigmas fāzes attīstību 450-900 grādu temperatūras diapazonā ar ātrāko nokrišņu kinētiku aptuveni 600 grādu robežās. Pie cinkošanas vannas temperatūras 450–480 grādi sigmas fāzes veidošanās notiek lēnāk, bet pēc ilgstošas ​​iedarbības joprojām sasniedz bīstamas tilpuma daļas. Elektronu atpakaļizkliedes difrakcijas (EBSD) pētījums ar 316 nerūsējošā tērauda caurulēm, kas pēc 6 mēnešiem tika izņemtas no ekspluatācijas cinkošanas procesā (~4320 h pie 465 grādiem), liecina par sigma fāzes tilpuma daļām 3-8% tuvu virsmas laukumam. Sigma daļiņas (parasti 0,5–5 µm diametrā) katra nogulsnējas iepriekšējās ferīta vietās vai graudu robežās, noārdot apkārtējo hroma matricu. Hroma noplicinātā zona blakus sigma daļiņām var samazināties no nominālā 16-18% hroma līdz 10-12% hroma, kas nav pietiekami, lai garantētu pasivitāti pret cinka uzbrukumu.

Cinka vide nodrošina otru metodi. Cinks ir izkausēts 450 grādu temperatūrā un labi mitrina nerūsējošo tēraudu. Cinka atomi migrē intersticiāli gar graudu robežām, īpaši tām, kuras degradē sigmas fāze vai hroma samazināšanās. Cinka difūzijas koeficients gar graudu robežām austenīta nerūsējošajā tēraudā pie 465 grādiem ir aptuveni 2 × 10⁻¹⁰ cm²/s, kas ir pietiekams, lai 6 mēnešu laikā iekļūtu caurules sieniņā par 100–200 mm. Šķidrā metāla trauslumu izraisa cinka koncentrācijas palielināšanās pie graudu robežām virs sliekšņa līmeņa. Trauslā starpgranulu plaisāšana var rasties pat pie mērenām stiepes slodzēm, jo ​​apvalka un iekšējā sildelementa termiskā izplešanās neatbilst. Plaisāšana turpinās, līdz apvalks zaudē spiediena integritāti un izkusušais cinks saskaras ar iekšējo NiCr sildīšanas vadu. NiCr ātri izšķīst šķidrā cinkā, un sildītājs nekavējoties sabojājas.

Kvantitatīvā saistība starp ekspozīcijas laiku un sigma fāzes veidošanos
Paātrināta 316 nerūsējošā tērauda cauruļu paraugu laboratorijas novecošana (sienas biezums 1,5 mm, OD 12 mm) temperatūrā, kas atrodas cinkošanas diapazonā, var prognozēt sigma fāzes progresēšanu un atlikušo elastību. Paraugi tika termiski apstrādāti gaisā noteiktu laiku, sadalīti metalogrāfiskajai analīzei un pārbaudīti četru punktu līkumā, lai noteiktu atlikušo elastību. 465 grādu temperatūra tika izvēlēta, lai attēlotu normālu kausēta cinka vannas darbību.

Ekspozīcijas laiks 465 grādos (stundas) Sigma fāzes tilpuma frakcija (%) Graudu robeža Hroms (masas%, izmantojot STEM-EDS) Liekšanas elastība (pagarinājums lūzuma laikā, % no sākotnējā) Atteices režīms cinka ekspozīcijas testā 0 (kā saņemts, šķīdums atkvēlināts)<0.5 17.2 100% No cracking after 500 hours 500 0.8 16.8 97% Surface wetting only, no penetration 1000 1.5 16.1 92% Shallow intergranular zinc penetration (20-30 µm) 2000 3.0 15.2 83% Zinc penetration depth 80-120 µm 3000 4.5 14.5 71% Intergranular cracks at 40-60% wall thickness 4000 6.5 13.8 58% Complete perforation or cracking within 100-200 hours
6000 9.0 12.5 42% Ātra kļūme pēc iegremdēšanas (2–10 stundas)
Izšķirošais cinkošanas pakalpojuma slieksnis ir pie sigma fāzes tilpuma frakcijām > 3% (~2000 stundas pie 465 grādiem). Ja graudu robežās ir pietiekami daudz hroma, lai novērstu cinka iekļūšanu, tad slieksnis netiks sasniegts. Pārsniedzot 3% sigmas, cinka starpgranulu iespiešanās paātrinās nelineāri, un apvalka mehānisko integritāti pasliktina trauslums un lokāla korozija.

Mikrostrukturālā jutība pret iepriekšējo aukstuma darbu un sākotnējo ferīta saturu
Dažādas 316 nerūsējošā tērauda caurules nedarbojas vienādi cinkošanas temperatūrā. Sigmas fāzes attīstības kinētiku spēcīgi ietekmē trīs materiālu mainīgie: sākotnējais delta-ferīta saturs piegādātajā caurulē, aukstā darba apjoms caurules vilkšanas dēļ un oglekļa saturs (316 pret 316 L). Delta-ferīts ir uz ķermeni vērsta kubiskā fāze, kas veidojas austenīta nerūsējošā tērauda metinājumu un lējumu sacietēšanas laikā, taču atkarībā no sastāva kontroles var būt arī kaltās izstrādājumos 1-10% līmenī. Sigmas fāze galvenokārt veido kodolu uz ferīta. Caurulei ar 5% deltaferīta{13}}piegādes 2500 stundu 465C temperatūrā, lai sasniegtu 5% sigma tilpuma daļu, savukārt caurulei ar<1% delta-ferrite will need 5000–6000 hours to reach the same sigma level.

Auksts darbs arī palielina sigmas ražošanas ātrumu. Dislokācijas tiek ieviestas, zīmējot 316 nerūsējošā tērauda caurules līdz galīgajiem izmēriem, un var rasties arī neliels daudzums deformācijas izraisīta martensīta, kas abas ir sigmas fāzes kodolu veidošanās vietas. Caurulēm, kas izvilktas ar 15-20% šķērsgriezuma laukumu, sigmas veidošanās ātrums bija aptuveni 1,5 reizes ātrāks nekā pilnībā atlaidinātām tāda paša sastāva caurulēm. Cinkošanas pakalpojumam visaugstākā izturība pret sigma nokrišņiem tiek sasniegta, norādot šķīdumā{8}}atlaidinātas caurules ar delta-ferīta koncentrāciju zem 1% (maksimums 2% aukstā darba un pilnībā pārkristalizēta struktūra).

Materiāla stāvoklis Delta ferīta saturs (tilpums %) Aukstums (%) Laiks līdz 3% Sigma pie 465 grādiem (stundas) Paredzamais kalpošanas laiks cinkošanas vannā 316L, atkvēlināts ar šķīdumu, ar zemu ferīta saturu<1 <5 4000 – 5000 12 – 18 months 316, solution annealed, standard ferrite 3 – 5 <5 2500 – 3500 8 – 12 months 316, as-drawn (20% reduction), standard ferrite 3 – 5 15 – 20 1500 – 2000 4 – 8 months 316L, as-drawn, low ferrite <1 15 – 20 2500 – 3500 8 – 12 months
316H (augsts oglekļa daudzums), šķīdums atkvēlināts 2–4<5 1800 – 2500 6 – 9 months
Oglekļa saturam (316H – 0,04–0,10% C; 316L – mazāks vai vienāds ar 0,03% C) ir neliela ietekme uz sigmas veidošanos, bet ievērojama ietekme uz hroma karbīda nogulsnēšanos. Cinkošanas temperatūra ir tuvu karbīda nokrišņu diapazona augšējai robežai, tāpēc 316L ir izvēlēts, lai izvairītos no primārās ar karbīdu saistītas sensibilizācijas.

Cinkošanas vannas kalpošanas laika pagarināšanas alternatīvie sakausējumi
Ja paredzamais sildītāja kalpošanas laiks ir ilgāks par 12 mēnešiem, veicot nepārtrauktu cinkošanu, trīs iespējamie apvalku materiāli nodrošina daudz lielāku veiktspēju nekā 316 nerūsējošais tērauds ar dažādām priekšrocībām un izmaksu kompromisiem. Sekojošā atlases matrica palīdz materiālu izvēlē, ņemot vērā paredzamo vannas temperatūru un vēlamo apkopes intervālu.

Apvalka materiāla maksimālā apkalpošanas temperatūra ( grāds ) Sigma fāzes jutība Paredzamais mūžs pie 465 grādiem Relatīvās izmaksas (pret 316) Ieteicamie cinkošanas pielietojumi
316 nerūsējošais tērauds 500High (molibdēns paātrina sigmu) 6 - 12 mēneši 1,0x Mazas vannas, sporādiska darbība, ikgadējas izslēgšanas
310 Nerūsējošais tērauds (25% Cr, 20% Ni) 1000 Zems (bez molibdēna, augstāks Ni stabilizē austenītu) 24 – 36 mēneši 1,8x Nepārtraukta galvanizācija no vidējas līdz lielas vannas
Incoloy 800 (32% Ni, 21% Cr) 1000 Ļoti zems (augsts Ni pilnībā nomāc sigmu) 36–60 mēneši 2,5x Augstas uzticamības līnijas, minimāla apkopes pieejamība
Sanicro 28 (27% Cr, 31% Ni, 3,5% Mo) 500 Mērens (Mērens Mo, augsts Ni stabilizējas) 24–30 mēneši 3,5 x Agresive Flux{8}}pakalpojums ar atlikušajiem hlorīdiem
Titāna pakāpe 2 300 Nav piemērojams (sigmas fāze nav izveidota) Nav pieņemams — oksidējas virs 350 grādiem 2,0 x zemas temperatūras cinka sakausējumi (<350°C only)
310 nerūsējošais tērauds ir optimāls izmaksu un korozijas izturības kompromiss lielākajai daļai nepārtrauktas cinkošanas vannu. Palielināts niķeļa saturs (20% 10% vietā 316) stabilizē austenīta struktūru pret sigmas veidošanos pat pēc gadiem 450–480 grādu temperatūrā. Lauka dati no cinkošanas rūpnīcas, kurā 316 tika aizstāti ar 310 apvalkiem, liecina, ka vidējais kalpošanas laiks palielinājās no 7 mēnešiem līdz 28 mēnešiem, un daži sildītāji bez kļūmēm darbojās vairāk nekā 36 mēnešus. Incoloy 800 kalpošanas laiks ir vēl ilgāks, taču minimālais ieguvums virs 310 var nebūt par 40% augstāku izmaksu vērts, ja vien vannas temperatūra nav tuvu 500 grādiem vai iekārta neplāno apkopes intervālus, kas ir garāki par diviem gadiem.

Praktiski ieteikumi cinkošanas vannu sildītāju specifikācijai
Tālāk sniegtie praktiskie norādījumi elektriskās apkures cauruļu projektēšanai kausētā cinka cinkošanas vannām ir balstīti uz lauka pieredzi un laboratorijas datiem. Neizmantojiet 316 nerūsējošo tēraudu nevienā nepārtrauktā cinkošanas procesā, kas pārsniedz 4000 stundas gadā. Ja 316 tiek izmantots, jo tas ir pieejams vai lētāks, norādiet šķīduma-atlaidinātu 316L ar dokumentētu delta-ferīta saturu, kas mazāks par 1% un ne vairāk kā 5% aukstu darbu, un plānojiet apvalka nomaiņu ik pēc 6–12 mēnešiem. Normālai cinkošanai 450 līdz 465 grādos ar cinka vannām, kas lielākas par 10 tonnām, nodrošiniet 310 nerūsējošā tērauda apvalkus ar sieniņu biezumu no 2,0 līdz 2,5 mm (lielāks par 1,2 līdz 1,5 mm biezumu, ko parasti izmanto ūdens apgādei), lai nodrošinātu papildu koroziju. Vannām, kas satur cinka -alumīnija sakausējumus vai agresīvas plūsmas atlikumus, apsveriet iespēju izmantot Incoloy 800 vai iknedēļas apvalka biezuma mērījumus, izmantojot ultraskaņas testu, lai uzraudzītu korozijas ātrumu. Vissvarīgākais specifikācijas punkts ir prasīt, lai sildītāja piegādātājs sertificētu šķīduma atkvēlināto stāvokli un maksimālo ferīta saturu. Standarta dzirnaviņas, kas atkvēlinātas 316, var saturēt pietiekami daudz delta-ferīta, lai izraisītu priekšlaicīgu bojājumu, pat ja sastāva prasības ir nominālas. Tā kā atteices mehānisms ir sigma fāzes trauslums ar šķidra metāla iespiešanos, nevis tipiska ūdens korozija, inženieri var izvēlēties piemērotus materiālus, kas pagarina sildītāja kalpošanas laiku no mēnešiem līdz gadiem šajā smagajā augstas temperatūras bezūdens lietojumā.