Kako volumni udio primarnog niobijevog karbida (NbC) u stabiliziranoj cijevi plašta grijača od 347 kontrolira otpornost na osjetljivost tijekom dugo-trajne službe na 550 stupnjeva u usporedbi s 316L

Stabilizacijski učinak produljenog izlaganja visokoj temperaturi

Za dugotrajnu, visokotemperaturnu (550 stupnjeva) primjenu obloženih električnih grijaćih cijevi, kao što su industrijski grijači zraka, petrokemijske predgrijače za peći ili oprema za -toplinsku obradu, izbor 316L (niskog ugljika) u odnosu na 347 (niobijem stabiliziranog) nehrđajućeg čelika vođen je njihovom odgovarajućom otpornošću na osjetljivost. 316L duguje svoju sposobnost otpornosti na padavine krom karbida na njegov nizak sadržaj ugljika (<0.03%). However even 316L can sensitise at 550 C after long service (5000-10000 hours). Carbon diffusion is sluggish, but will allow carbides to develop at grain boundaries. Type 347 has niobium (Nb, usually 10× C content, 0.3-0.8% Nb) which forms stable niobium carbide (NbC) precipitates in the grains, binding up carbon and preventing chromium depletion. The long term resistance to sensitisation is totally controlled by the volume fraction of the primary NbC (0.05-0.2%) and the fine secondary NbC which precipitates in service. Properly stabilised 347 is not sensitised at 550°C for >50 000 sati. 316L počinje senzibilizirati nakon 5 000-10 000 sati. U članku se kvantificira povezanost između volumnog postotka NbC, vremena upotrebe i otpornosti na preosjetljivost u 347 naspram 316L.

Mehanizam fiksacije ugljika i stabilizacija niobija

U nehrđajućem čeliku 347 (18Cr-11Ni-Nb), niobij ima znatno veći afinitet prema ugljiku nego krom. Tijekom žarenja u otopini (1050-1100 stupnjeva) većina NbC se otapa, ali primarne čestice NbC (1-5 µm) ostaju neotopljene. Fini sekundarni NbC taloži se (10-50 nm) u austenitnoj matrici, pretežno na dislokacijama i u zrncima, a ne na granicama zrna, pri hlađenju i tijekom rada na 450-750 stupnjeva. Ugljik je vezan kao NbC stoga je aktivnost ugljika u matrici vrlo niska. Ovo sprječava stvaranje Cr karbida (Cr2 3 C6) na granicama zrna. Učinkovitost stabilizacije ovisi o omjeru Nb:C (oko 8:1 za NbC) i potpunosti stabilizacijskog žarenja (obično 850-900 stupnjeva 2-4 sata nakon žarenja otopinom).

Odnos između volumnog udjela NbC i otpornosti na senzibilizaciju na 550 stupnjeva

347 cijevi (s različitim koncentracijama niobija i ugljika) i 316L cijevi na 550 stupnjeva do 50 000 sati s periodičnim testiranjem ASTM A262 Practice A (jetkanje oksalnom kiselinom) i Practice E (bakar-bakreni sulfat), odredili su sljedeća vremena za početak senzibilizacije:

Alloy Niobium (wt %) Carbon (wt %)Nb:C weight ratio NbC fraction Volume (%) Sensitisation time at 550°C (h) ASTM A262 Practice A after 10,000hRecommended for >10,000 hours at 550°C 316L 0 0.020 0 0 5,000-10,000 Ditch (sensitized) No 316L (extra low C) 0 0.010 0 0 10,000-20,000 Dual (transition) Marginal 347 (under-stabilized) 0.15 0.040 3.8 0.02-0.05 10,000-20,000 Dual Acceptable 347 (minimally stabilized) 0.20 0.040 5.0 0.04-0.08 20,000-30,000 Step (mostly) Recommended 347 (properly stabilized) 0.40 0.040 10 0.08-0.15 >50,000 Step Best 347 (fully stabilized) 0.60 0.040 15 0.12-0.20 >50,000 Step Best 347 (over-stabilized) 0.80 0.040 20 0.15-0.25 >50 000 (ali NbC stringeri) Korak (ali rizik od ferita) Oprez Prihvatljivo 347 (visoki C) 0.40 0.060 6.7 0.10-0.18 30,000-40 000 Korak preporučeno
Učinak stabilizacijskog žarenja na taloženje NbC

Nakon žarenja u otopini, stabilizacijsko žarenje na 850-900 stupnjeva izaziva taloženje finog, intragranularnog NbC, maksimizirajući fiksaciju ugljika i sprječavajući naknadnu senzibilizaciju.

Sekvenca toplinske obrade NbC Morfologija Vrijeme do senzibilizacije na 550oC (sati) Preporučeno za dugotrajnu upotrebu (LTS)
Samo žarenje u otopini (1050 stupnjeva, kaljenje vodom) Samo primarni NbC (grubi, malo C u otopini) 15 000-30 000 Prihvatljivo
Solution anneal + stabilisation (850°C, 2 h)Fine intragranular NbC (most C fixed) >50 000 Najbolje
Solution anneal + stabilisation (900°C, 4h)>50,000 Beste Vrlo fino NbC, potpuna C fiksacija
Gruba stabilizacija bez žarenja otopinom Samo NbC (nepotpuno) 10 000-20 000 Granica
Bez stabilizacije (kao zavareno) Mješovito 5,000-15,000 Ne preporučuje se
Praktične preporuke za odabir grijača za rad od 550 stupnjeva

Za kontinuirani rad obloženih grijača na 550 stupnjeva, vrijede sljedeći parametri za odabir legure ovisno o predviđenom vijeku trajanja:

Željeni vijek trajanja na 550 stupnjeva (sati) Predloženi minimalni zahtjev za stabilizaciju legure Očekivani faktor troškova otpornosti na osjetljivost<5,000 316L (0.03%C) None Acceptable 1.0× 5,000-10,000 316L (0.02%C) or 347 (minimum)1.1×10,000-20,000 347 (well stabilised) 850°C, 2h Marginal None for 316L; stabilisation optional for 347Good 1.3× 20,000-50,000 347 (completely stabilized) 900°C, 4h Excellent 1.4× >50,000 347 + high Nb (0.6-0.8%) Full stabilisation + fine grain Best 1.5× >50 000 (korozivno okruženje) Nehrđajući čelik 310 (bez osjetljivosti) Nije primjenjivo 2,0× Učinkovitost provjere stabilizacije

Sljedeći zahtjevi za odobrenje primjenjuju se na kupce koji specificiraju 347 za dugotrajnu uslugu visoke temperature:

ASTM A262 Praksa A: Stepenasta struktura (glatke granice zrna) nakon punog predviđenog vijeka trajanja ili nakon ubrzanog starenja (1000 h na 650 stupnjeva)

ASTM A262 Praksa E: Prošlo nakon starenja (nema pucanja nakon savijanja)

Niobium to carbon ratio: Nb/C weight ratio >= 10 (idealno 12-15) na certifikatu mlina

Potvrda o stabilizacijskom žarenju: zabilježeno vrijeme i temperatura (tj. . 900 stupnjeva C tijekom 4 sata)

Zaključak: 347 preko 316L za produženu uslugu od 550 stupnjeva

Carbon diffusion in 316L stainless steel heater sheaths at 550°C leads to chromium carbide precipitation and sensitisation after 5,000-10,000 hours of operation, making it susceptible to intergranular corrosion. Type 347 (niobium stabilised) with correct ratio of Nb:C (≥10:1) and stabilisation annealing (850-900°C, 2-4 hours) is not sensitised for >50 000 sati zbog ugljika koji se trajno taloži kao intragranularni NbC. Za kontinuirani rad iznad 500 stupnjeva sa životnim zahtjevima većim od 5.000-10.000 sati, inženjeri koji specificiraju zatvorene grijače trebali bi izabrati 347 umjesto 316L. Za najzahtjevnije primjene (korozivni uvjeti + visoka temperatura) nehrđajući čelik 310 (25Cr-20Ni) pružit će još veću otpornost, ali uz višu cijenu. Ovaj okvir omogućuje kupcima odabir najstabilnije legure za dugotrajni rad u visokotemperaturnom grijaču povezujući volumni udio NbC s trajanjem početka senzibilizacije na 550 stupnjeva.