Kāpēc silīcija satura procentuālais daudzums 316 nerūsējošā tērauda sildītāja apvalka caurulēs, kas mazāks par 0,4%, samazina oksidācijas pretestību 650 grādu leņķī gaisa apkalpošanā

Neliels sakausējuma elements ar lielu ietekmi uz augstas temperatūras skalu saķeri

Elektriskajām sildīšanas caurulēm, kas ietītas 316 nerūsējošajā tēraudā un kuras strādā augstā temperatūrā (650 grādi) gaisa satiksmē, silīcija saturs (parasti ASTM A240 noteikts kā maksimums 0,75%) ir svarīgs, bet bieži vien neievērots oksidācijas pretestības faktors. Ja silīcija līmenis ir mazāks par 0,4%, veidojas ātri attīstošas ​​dzelzs- oksīda zvīņas, kas viegli izšļakstās, samazinot apvalka kalpošanas laiku 3-5 reizes, salīdzinot ar materiālu, kas satur 0,6–1,0% silīcija. Silīcijs atvieglo plāna, nepārtraukta amorfa vai nanokristāliskā silīcija dioksīda (SiO2) pārklājuma veidošanos pie mēroga un metāla kontakta. Šis silīcija dioksīda slānis darbojas kā difūzijas barjera, aizkavējot dzelzs un hroma katjonu difūziju uz āru un skābekļa anjonu difūziju uz iekšu. Šajā rakstā ir sniegts kvantitatīvs sakarības novērtējums starp silīcija koncentrāciju, oksidācijas kinētiku un skalas izkliedēšanas uzvedību 316 apvalkiem 650 grādos. Tas nosaka specifikāciju sistēmu augstas temperatūras gaisa sildītāju lietojumiem.

Silīcija loma silīcija apakšskalas veidošanā

Augstas temperatūras 316 nerūsējošā tērauda oksidēšanas laikā hroms un dzelzs izkliedējas uz āru, veidojot ārējo Cr2O3/Fe2O3 skalu, un skābeklis izkliedējas uz iekšu. Ja silīcija saturs pārsniedz ~ 0,4-0,5%, silīcijs galvenokārt oksidējas pie katlakmens un metāla kontakta, veidojot plānu (0,1–1,0 µm) nepārtrauktu amorfa silīcija dioksīda slāni. Šim silīcija dioksīda pārklājumam ir divas aizsargājošas īpašības. Pirmkārt, hroma difūzijas koeficients SiO2 ir par aptuveni trīs kārtām mazāks nekā Cr2O3, kas krasi samazina oksidācijas ātrumu. 2. Silīcija dioksīds palielina ārējās skalas mehānisko adhēziju, izveidojot "līmes" slāni, kas absorbē termiskās izplešanās neatbilstību. Ja silīcija saturs ir mazāks par 0,4%, silīcija slānis ir pārtraukts vai tā nav, un ārējā skala ātri paaugstinās, pateicoties tiešai katjonu difūzijai caur Cr2O3 . Izveidotā zvīņa ir poraināka, biezāka un termiskā cikla dēļ to viegli noplīst.

Si satura ietekme uz oksidācijas uzvedību 650 grādos: kvantitatīvās attiecības

Kontrolēta cikliskā oksidācijas pārbaude (1 stunda cikls 650 grādu temperatūrā gaisā, piespiedu gaisa dzesēšana līdz 100 grādiem starp cikliem) 316 caurulēm ar dažādu silīcija saturu ir noteikusi atšķirīgas veiktspējas robežas.

Silīcija saturs (masas%) Hroma saturs (masas%) Nepārtraukts silīcija dioksīda slānis? Oksidācijas ātrums (mg/cm²/h) pēc 500 cikliem Mēroga atslāņošanās sākums (cikli līdz pirmajai redzamajai plaisai) Metāla zudums pēc 5000 cikliem (µm) Ieteicams 650 grādu gaisa satiksmei<0.2 >16 Nē (nav) 0,15-0,30<100 150-300 No 0.2-0.3 16-18 No (discontinuous) 0.10-0.20 100-300 100-200 No 0.3-0.4 16-18 Partial (50-70% coverage) 0.08-0.15 200-500 80-150 Marginal 0.4-0.5 17-18 Thin, 50-80% continuous 0.05-0.10 500-1,000 50-100 Acceptable for moderate cycling
0.5-0.6 17-19 Nepārtraukts (0,2–0,5 µm) 0.03-0.06 1,000-2,500 30-60 Ieteicams
0.6-0.8 17-19 Nepārtraukts, vienmērīgs (0,5–1,0 µm) 0.02-0.04 2,500–5,000 20-40Vislabākā izturībai
0.8-1.0 18-20 Continuous, thicker (1-2 µm) 0.01-0.03 5,000-10,000 10-30 Best for continuous 650°C service1.0 18-20 Continuous but may generate low melting silicides 0.01-0.02 >10,000 <20 Acceptable but monitor for hot shortness
Silīcija un molibdēna mijiedarbība oksidācijā

316 stainless steel has 2.0-2.5% molybdenum which enhances pitting resistance in aqueous service but has a severe effect on high temperature oxidation resistance when silicon is low. Molybdenum tends to create volatile oxides (MoO₃) above about 600°C which can break apart the chromium oxide scale. However, with sufficient molybdenum (>0,5%), nepārtraukta silīcija dioksīda apakšskala neļauj molibdēnam sasniegt ārējo virsmu un nomāc MoO{sub 3} iztvaikošanu. Molibdēna iztvaikošana tiek uzlabota, ja silīcija līmenis ir zemāks par 0,4%, kas izraisa ātrāku mēroga pārtraukšanu un ātrāku oksidāciju. 316 apvalkiem, kas paredzēti lietošanai virs 600 grādiem, silīcija saturs jānorāda ASTM diapazona augstākajā pusē (0,6–1,0%), lai kompensētu molibdēna negatīvo ietekmi.

Silīcija satura definīcija augstas temperatūras sildītāju lietojumiem

Pamatojoties uz paredzamo kalpošanas laiku un termiskā cikla biežumu, 316 apvalkotajiem sildītājiem, kas darbojas 650 grādu temperatūrā gaisā vai oksidējošās degšanas gāzēs, ir ieteicamas šādas silīcija prasības:

Apkalpošanas stāvoklis Apvalka temperatūra (grādi) Termiskie cikli dienā Minimālais silīcija saturs (masas%) Ieteicamais silīcija diapazons (masas%) Alternatīvs sakausējums, ja nevar apmierināt silīcija vajadzības
Nepārtraukti darbojieties, laiku pa laikam ciklojieties no 600 līdz 650<1 0.50 0.60-0.80 310 stainless steel
Intermitējoša viegla riteņbraukšana 600-650 1-10 0.60 0.70-1.00 310 ss vai Inconel 600
Frequent cycling (>10/day) 550-600 >10 0.60 0.70-1.00 Inconel 600
Nepārtraukta apkalpošana 650-700<1 >0,70 (316 nav ieteicams) 0.80-1.00 310 vai nepieciešams Inconel
550-650 Jebkurš 0.70 0.80-1.00 Inconel 600 ieteicams Jebkurš pakalpojums, kurā atmosfērā ir sērs. Silīcija satura un oksidācijas veiktspējas pārbaude

There are three techniques for verifying acceptable silicon content for buyers who specify 316 sheaths for high temperature use. The first is the mill certificate which must report silicon analysis with an acceptable range (say 0.60-0.80%). The second is a simplified oxidation screening test, in which a sample of the tube is heated in air at 650 °C for 100 hours and then cooled to ambient temperature. The sample is weighed before and after. Weight gain < 2 mg/cm² is good silicon oxidation resistance, > 5 mg/cm² is inadequate silicon. The third way is to metallographically cross-section the oxidised sample and assess the thickness and continuity of the silica layer. The continuous silica layer >0,2 µm pierāda, ka ar silīciju ir pietiekami. Vislielākā pārliecība, ja ir nepieciešamas visas trīs pārbaudes. Svarīgiem lietojumiem.

Zemas silīcija oksidācijas sabrukšanas lauka diagnostika

For 316 sheaths that have failed in 600-650°C air service, suspect low silicon content if the scale is thick (>200 µm), ne-pielipuši (izšļakstīti pieskaroties) un sarkanbrūni- (Fe2O3), nevis zaļgani-melni (Cr2O3). Ja parastais metāls nebija atbilstošs, elektronu mikroskopijas vai EDS izpēte mērogā -metāla saskarnē neuzrādīs silīcija vai silīcija līmeni zem 0,2%. Bojātais apvalks uzrādīs metāla zudumus no 200 līdz 500 µm (spēcīgs raupjums un retināšana), salīdzinot ar 20 līdz 50 µm materiālam ar atbilstošu silīciju. Bojājuma režīms palielina sienas retināšanu, plaisājot un iespējamo garenisko šķelšanos, kad atlikušā siena vairs nevar izturēt iekšējo spiedienu.

Secinājums: Silīcija kritiskais augstas temperatūras parametrs

316 nerūsējošā tērauda iesaiņotu sildītāju oksidācijas pretestību gaisa apkalpošanā 650 grādos tieši kontrolē sakausējuma parametrs silīcija saturs. Ja silīcija saturs ir mazāks par 0,4%, oksidēšana ir ātra un neaizsargājoša, un skala nokrīt tā, ka sildītāja kalpošanas laiks tiek samazināts no 20 000 h līdz 3 000–5 000 h. 0.6-1.0% silīcija tiek pievienots, lai radītu nepārtrauktu silīcija dioksīda apakšskalu, kas aizkavē oksidēšanos par divām kārtām. Jebkuram lietojumam, kurā apvalka temperatūra pārsniedz 550 grādus, būs nepieciešama minimālā silīcija koncentrācija 0,50 % un ieteicama 0,60-0,80 % maksimālai veiktspējai. Nepārtrauktai apkalpošanai 650 grādu temperatūrā vai augstāk par jebkuru pakalpojumu, kas pārsniedz 700 grādus, labāk ir jaunināt uz 310 nerūsējošā tērauda vai Inconel 600, nevis paļauties uz 316 pat ar augstu silīcija saturu. Korelējot silīcija procentuālo daudzumu ar izmērāmiem oksidācijas ātrumiem un atslāņošanās sākumu, šeit piedāvātā pieeja ļauj pircējiem norādīt 316 apvalkus, kas saglabā aizsargājošās skalas integritāti paaugstinātā temperatūrā.