310S kontra Incoloy 800:-Wybór stopu żaroodpornego do zastosowań w piecach i piecach

Wstęp

Inżynierowie zajmujący się piecami, piecami i-obróbką cieplną rutynowo stają przed tą samą decyzją dotyczącą materiału: wybrać opłacalną-opłacalną-stal nierdzewną odporną na ciepło lub przejść na stop niklowo-żelazo-chromowy zapewniający stałą-wytrzymałość temperaturową.Stal nierdzewna 310Si Incoloy 800 (w tym warianty 800H i 800HT) to dwaj najczęściej porównywani kandydaci do podjęcia tej decyzji. Obydwa są odporne na utlenianie w wysokiej temperaturze, można je łatwo wyprodukować i zespawać, a oba są powszechnie stosowane w drzwiach pieców, muflach, rurach promiennikowych i armaturach do-obróbki cieplnej.

Jednakże ich działanie znacznie się od siebie różni, gdy w grę wchodzi atmosfera nawęglania, utrzymujące się obciążenie mechaniczne lub długie okresy międzyobsługowe. W tym artykule porównano oba stopy pod względem składu, odporności temperaturowej, odporności na utlenianie i nawęglanie,-wytrzymałości na pełzanie, wymagań produkcyjnych i całkowitego kosztu posiadania, dzięki czemu inżynierowie i kupujący mogą dopasować stop do zastosowania, a nie odwrotnie.

Co odróżnia 310S od Incoloy 800 pod względem metalurgicznym?

Różnica w składzie jest główną przyczyną wszystkich różnic w wydajności na dalszym etapie omówionych w tym artykule. 310S zawiera chrom jako główny pierwiastek stopowy i nikiel jako wtórny stabilizator austenitu, dlatego klasyfikuje się go jako stal nierdzewną, a nie stop niklu. Incoloy 800 odwraca ten stosunek: nikiel jest głównym dodatkiem stopowym, chrom jest drugorzędny, a żelazo stanowi równowagę, a nie jest metalem nieszlachetnym. Wyższa zawartość niklu zapewnia stopom serii 800- odporność na dyfuzję węgla i wytrzymałość zachowaną w temperaturze, ale nikiel jest również droższym surowcem wsadowym i dlatego produkty serii Incoloy 800 charakteryzują się stałą wyższą ceną w porównaniu ze stopami 310S.

Źródło: ASTM A240/A480 (310S); Specyfikacje młyna ASTM B407/B408/B409 i UNS N08810 (Incoloy 800H). Zakresy są nominalnymi granicami specyfikacji; sprawdzić w oparciu o aktualny raport z testów młyna.

Dwa inne szczegóły składu mają znaczenie dla obsługi pieca. Po pierwsze, 310S to niskoemisyjna- odmiana standardowego gatunku 310 (który dopuszcza do 0,25% węgla); niższa zawartość węgla w 310S poprawia odporność na uczulenie i korozję międzykrystaliczną po spawaniu. Po drugie, Incoloy 800H sam w sobie jest odmianą bazowego Incoloy 800 z kontrolowanym-węglem i-wielkością-ziarna o kontrolowanej-wielkości ziarna, a Incoloy 800HT dodatkowo wzmacnia zakres aluminium-plus-tytanu-. Obydwa udoskonalenia mają na celu zwiększenie-wytrzymałości na zerwanie pieca i podgrzewacza{{17}procesowego, co jest omówione w Rozdziale 4.

Który stop wytrzymuje wyższe ciągłe temperatury robocze?

310S jest powszechnie oceniany pod kątem odporności na ciągłe utlenianie do około 2000 stopni F (1093 stopni) oraz do pracy przerywanej lub lekko cyklicznej w podobnym zakresie, ze względu na wysoką zawartość chromu. Praktycznym ograniczeniem dla 310S w piecu i jego obsłudze nie jest kamień tlenkowy -, ale tworzenie się fazy sigma-. Po długotrwałej ekspozycji na temperatury od około 1200 do 1650 stopni F (650–900 stopni) stale nierdzewne z rodziny 310- mogą tworzyć kruchą międzymetaliczną fazę sigma, która zmniejsza wytrzymałość i plastyczność w temperaturze pokojowej. Sprzęt, który wielokrotnie przechodzi przez ten zakres temperatur, taki jak drzwiczki pieca i elementy palnika, jest bardziej narażony na ten efekt niż sprzęt, który pracuje w sposób ciągły w górnym zakresie temperatur.

Incoloy 800Hi 800HT są przystosowane do długotrwałej-pracy w temperaturach do około 2000 stopni F (1093 stopni), przy czym możliwe są krótkotrwałe-wyjścia powyżej tej temperatury kosztem przyspieszonej utraty wytrzymałości i utleniania. Ponieważ stopy serii 800-są wyżarzane-rozsycająco w temperaturze co najmniej 2100 stopni F (1149 stopni), aby uzyskać grubszą, bardziej odporną-na pełzanie strukturę ziaren, a także ponieważ wyższa zawartość niklu tłumi ten sam mechanizm fazy sigma, który występuje w przypadku stali 310S, zachowują one użyteczną ciągliwość i wytrzymałość w szerszej części zakresu pracy pieca, w tym poprzez wielokrotne jazda na rowerze.

Który stop zapewnia lepszą odporność na atmosferę utleniającą i nawęglającą?

Odporność na utlenianie w obu stopach wynika głównie z chromu, który w wysokiej temperaturze tworzy ochronną warstwę-tlenku chromu. 310S. W rzeczywistości zawiera więcej chromu niż Incoloy 800H (około 25% w porównaniu z około 21%), co jest jednym z powodów, dla których 310S pozostaje silnym i ekonomicznym rozwiązaniem w czystych atmosferach utleniających, takich jak piece powietrzne, płaszcze pieców i osprzęt palników.

Odporność na nawęglanie to inny mechanizm i to właśnie w tym miejscu oba stopy różnią się najbardziej. Przenikanie węgla na powierzchnię metalu z atmosfery-bogatej w węgiel zależy w dużym stopniu od zawartości niklu, ponieważ nikiel ma bardzo słabą rozpuszczalność węgla i spowalnia jego dyfuzję do wewnątrz. Dane terenowe dotyczące rur 800H w procesie nawęglania węglowodorów-wskazują, że stop zachowuje plastyczność i integralność strukturalną po latach ekspozycji, w warunkach, w których stale nierdzewne z rodziny niższych-niklu 310-nawęglają się mierzalnie szybciej. Jest to główny powód, dla którego Incoloy 800H jest dominującym materiałem na rury do pirolizy etylenu, elementy pieców do krakingu węglowodorów oraz kosze i osprzęt do obróbki cieplnej, które poddawane są powtarzającym się cyklom nawęglania.

Opublikowane porównania- szybkości korozji w środowiskach pieców rafineryjnych ilustrują różnicę: stopy Incoloy 800H/800HT zostały zmierzone przy około 0,15 mm/rok (6,0 mpy) w porównaniu do około 0,23 mm/rok (8,9 mpy) dla stali nierdzewnej z rodziny 310 w porównywalnych warunkach. Mniejsza szybkość korozji przekłada się bezpośrednio na dłuższą żywotność podzespołów i mniej nieplanowanych przestojów związanych z inspekcją lub wymianą.

Jak porównuje się wytrzymałość na pełzanie i naprężenie-na zerwanie w podwyższonej temperaturze?

Pełzanie to powolne,-zależne od czasu odkształcenie metalu pod długotrwałym obciążeniem w wysokiej temperaturze, a wytrzymałość na naprężenie-zrywające opisuje, jak duże naprężenie może wytrzymać materiał, zanim pęknie po określonej liczbie godzin pracy. Ta właściwość ma znaczenie w przypadku każdego elementu pieca, który jest pod obciążeniem na gorąco - rura promiennikowa pod ciśnieniem wewnętrznym, wieszak podtrzymujący materiał ogniotrwały lub wężownica w piecu do pirolizy - w odróżnieniu od elementów, które są po prostu wystawione na działanie ciepła bez znaczącego obciążenia mechanicznego, takie jak wyłożenie mufy lub osłona.

310S oferuje umiarkowaną-wytrzymałość na zerwanie, odpowiednią dla lekko obciążonych komponentów. Stopy Incoloy 800H i 800HT zostały opracowane specjalnie w celu wydłużenia-trwałości przy pełzaniu poza to, co zapewniają standardowe stale nierdzewne z rodziny 800 lub 310-, dzięki kontrolowanej zawartości węgla (0,05–0,10%) i wyżarzaniu w roztworze gruboziarnistego-ziarnistego w temperaturze co najmniej 2100 stopni F (1149 stopni). Incoloy 800HT dodatkowo zaostrza specyfikację aluminium-i-tytanu, do zastosowań wymagających najdłuższej praktycznej żywotności pod długotrwałym obciążeniem w wysokiej temperaturze, takich jak rury pieca etylenowego i wężownice do pirolizy.

Źródło: na podstawie danych specyfikacji ASTM A240/B407/B409 i opublikowanych badań-korozyjnych-temperaturowych-i właściwości mechanicznych-dla stali 310/310H i Incoloy 800H/800HT w rafineriach i piecach. Przed ostateczną specyfikacją sprawdź dopuszczalne projekty pod kątem aktualnej części D ASME Sekcja II lub odpowiedniej edycji kodu.

Jaka jest różnica w kosztach i kiedy składka jest uzasadniona?

Nikiel jest niezmiennie największym pojedynczym czynnikiem wpływającym na ceny dopłat do stopu w przypadku obu materiałów, ale Incoloy 800H/HT zawiera wagowo około 50 procent więcej niklu niż 310S, a nikiel zazwyczaj kosztuje znaczną wielokrotność chromu i żelaza, które stanowią większość stopu 310S. To sprawia, że ​​stopy serii 800- są droższym zakupem w przeliczeniu na-funt lub-stopę liniową, zanim w ogóle rozważy się produkcję.

Ramy decyzyjne wynikające z powyższego porównania technicznego są proste. Typ 310S należy wybrać, gdy element podlega czystej atmosferze utleniającej, lekkiemu obciążeniu mechanicznemu lub jego brakowi i średnim oczekiwanym-trwałości użytkowej -. Powszechnie stosuje się płaszcze pieca, drzwi, wentylatory i-obciążenie-osłony nośne. Typowym rozwiązaniem jest Incoloy 800H lub 800HT, gdy element znajduje się pod ciągłym obciążeniem w temperaturze, jest wystawiony na działanie atmosfery nawęglającej lub siarczkującej lub gdy koszt nieplanowanego przestoju w celu wymiany uszkodzonego elementu znacznie przekracza koszt materiałów.

Czym różnią się wymagania dotyczące produkcji, spawania i obróbki cieplnej?

310S to wyżarzanie-sycające w zakresie temperatur 1900–2100 stopni F (1030–1150 stopni), po którym następuje szybkie chłodzenie, które przywraca węgliki do roztworu i maksymalizuje odporność na korozję. Jeśli sprzęt z rodziny 310- był używany przez dłuższy czas w temperaturze powyżej 1200 stopni F (650 stopni) i utworzyła się faza sigma, plastyczność można zazwyczaj przywrócić za pomocą tego samego-cyklu wyżarzania; ponowne wyżarzanie po mniej więcej każdych 1000 godzinach pracy w temperaturze powyżej 1200 stopni F jest powszechnie podawanym okresem konserwacji w przypadku sprzętu podatnego na tworzenie się sigma.

Stopy Incoloy 800H i 800HT wymagają wyżarzania rozpuszczającego w temperaturze co najmniej 2100 stopni F (1149 stopni) - zauważalnie wyższej niż wyżarzanie stosowane w przypadku stali 310S -, szczególnie w celu wytworzenia grubszej struktury ziaren (zazwyczaj o rozmiarze ziarna ASTM nr. 5 lub grubszym), co poprawia-trwałość przy pełzaniu. Obydwa stopy można spawać standardowym łukiem wolframowym w gazie i łukiem metalowym w osłonie z dopasowanym lub prawie pasującym spoiwem i oba są konwencjonalnie formowane na zimno-, chociaż stopy serii 800 mogą wykazywać charakterystyczną teksturę powierzchni („skórkę pomarańczową”) po intensywnym formowaniu na zimno ze względu na grubszy rozmiar ziarna.

Który stop należy wybrać dla typowych elementów pieca i pieca?

Źródło: Ogólne wytyczne dotyczące wyboru oparte na udokumentowanych właściwościach stopu i powszechnej praktyce przemysłowej dotyczącej pieców. Dobór-konkretnego komponentu powinien uwzględniać rzeczywisty skład chemiczny atmosfery, ciśnienie znamionowe, częstotliwość cykli termicznych i obowiązujące przepisy projektowe.

Często zadawane pytania

P: Czy 310S i Incoloy 800H można stosować zamiennie w tym samym piecu?

O: Nie ogólnie. Mają różne współczynniki rozszerzalności cieplnej i różne właściwości pełzania, więc zmieszanie ich w jednym zespole spawanym pod obciążeniem może spowodować powstanie naprężeń różnicowych. Jeżeli oba stopy pojawiają się w tym samym piecu, zazwyczaj stosuje się je w oddzielnych, niezależnie podpartych elementach -, na przykład płaszcz 310S z wewnętrznymi rurkami Incoloy 800H.

P: Czy Incoloy 800 to to samo co Incoloy 800H lub 800HT?

Odp.: Nie. Standardowy gatunek Incoloy 800 (UNS N08800) umożliwia stosowanie szerszego zakresu węgla i nie powoduje gruboziarnistego-wyżarzania w wysokiej-temperaturze, które zapewnia 800H (UNS N08810) i 800HT (UNS N08811) ich doskonałą-wytrzymałość na zerwanie. W obecnych specyfikacjach pieca i{11}}nagrzewnicy procesowej, 800H i 800HT w dużej mierze zastąpiły standard 800.

P: Czy stal 310S wymaga-obróbki cieplnej po spawaniu?

Odp.: Nie zapewnia odporności na korozję w większości zastosowań w piecach, ponieważ 310S to gatunek o niskiej-węglowości i dobrej odporności na uczulenie-związane ze spawaniem. Jeśli sprzęt będzie eksploatowany przez dłuższy czas w zakresie-fazy-formowania sigma, odpowiednią obróbką naprawczą będzie okresowe wyżarzanie rozpuszczające -, a nie odprężanie -, a nie rutynowy wymóg-po spawaniu.

P: Jaki jest praktyczny limit temperatury dla ciągłej pracy 310S?

Odp.: Około 2000 stopni F (1093 stopni) w przypadku ciągłego utleniania, z zastrzeżeniem, że sprzęt pracujący w zakresie 1200–1650 stopni F (650–900 stopni) jest wielokrotnie narażony na kruchość fazową sigma-w czasie i powinien być oceniany pod kątem okresowego-wyżarzania.

P: Dlaczego zawartość niklu ma tak duże znaczenie dla odporności na nawęglanie?

Odp.: Węgiel ma bardzo słabą rozpuszczalność w niklu i dyfunduje do niego wolniej niż do żelaza czy chromu. Ponieważ Incoloy 800H zawiera około 30–35% niklu w porównaniu z około 19–22% w przypadku 310S, węgiel wnika w jego powierzchnię wolniej w identycznych warunkach nawęglania, co jest głównym powodem, dla którego 800H przewyższa stale nierdzewne z rodziny 310 w atmosferze pieca do nawęglania.