Koji kritični parcijalni tlak kisika u plinovima izgaranja na temperaturi plašta od 600 stupnjeva sprječava ubrzanu oksidaciju grijaćih cijevi od nehrđajućeg čelika 316

Granica oksidacijskog potencijala za stvaranje zaštitnog kamenca

Za električne grijaće cijevi s plaštem od nehrđajućeg čelika 316 u okolinama plinova izgaranja kao što su grijači kanala, atmosfera peći ili sustavi recirkulacije ispušnih plinova, parcijalni tlak kisika (pO2) u okolnom plinu će odrediti hoće li omotač tvoriti zaštitni kamenac krom oksida ili će doživjeti ubrzanu oksidaciju (oksidacija koja se odvaja) zbog hlapljivosti kamenca ili nestabilnosti. Kao funkcija vodene pare i drugih reaktivnih vrsta, kritični pO2 za stabilnu skalu Cr2O3 pri visokim temperaturama omotača (600 stupnjeva C, reprezentativno za primjene grijanja zraka, ali na visokoj granici za 316) je reda veličine od 10-10 do 10-15 atm. Ako razina kisika padne ispod tog praga, krom oksid se smanjuje, a željezni oksidi stvaraju brzo razvijajući ne-zaštitni kamenac. Iznad ovog praga (okoline bogate kisikom poput zraka pri 0,21 atm pO2), razvija se tanki prianjajući sloj Cr2O3 koji pruža dugoročnu zaštitu. Ali s prevelikim parcijalnim tlakom kisika može se stvoriti vodena para u hlapljivim kromovim oksihidroksidima, što smanjuje debljinu kamenca. U ovoj studiji kvantificira se siguran pO2 prozor za 316 omotača na 600 stupnjeva i daju se kriteriji okoline izgaranja za produljenje životnog vijeka grijača.

Mehanizam stabilnosti i hlapljivosti kromovog oksida

Zaštitni kamenac na nehrđajućem čeliku 316 pri visokoj temperaturi uglavnom je Cr 2 O 3, koji nastaje selektivnom oksidacijom kroma. Za stabilnost Cr2O3, okolni parcijalni tlak kisika mora biti viši od tlaka disocijacije kromovog oksida na dotičnoj temperaturi. Tlak disocijacije Cr₂O₃ (pO₂ pri kojem se Cr₂O3 razgrađuje na metalne Cr i O₂) je ~10⁻²⁶ atm na 600 stupnjeva, znatno ispod razine kisika normalnih plinova izgaranja. Međutim, u prisutnosti vodene pare, Cr2O3 se pretvara u hlapljivi oblik kromovog oksihidroksida: Cr2O3(s) + 2H2O(g) + 3/2O2(g) → 2CrO2(OH)2(g). Ova reakcija eliminira zaštitni kamenac brzinom koja ovisi o pO2 i pH2O. Najveća hlapljivost javlja se pri pO2 u približnom rasponu od 10-10-10-12 atm, radije nego pri vrlo visokom ili vrlo niskom pO2. Ovo sugerira da su blago siromašne atmosfere izgaranja (s nedostatkom kisika) zapravo više korozivne za 316 nego one koje potpuno oksidiraju (zrak) ili atmosfere koje značajno reduciraju.

Kvantificirani pO₂ prozori za stvaranje zaštitnog kamenca na 600 stupnjeva

Stopa oksidacije nehrđajućeg čelika 316 kao funkcija parcijalnog tlaka kisika određena je kontroliranim termogravimetrijskim ispitivanjem na 600 stupnjeva u kombinacijama plinova različitih pO₂ i pH₂O.

Parcijalni tlak kisika (atm) Parcijalni tlak vodene pare (atm) Stvoreni kamenac Brzina oksidacije (mg/cm2-h) nakon 500 sati Prianjanje kamenca Preporučeno za uslugu od 600 stupnjeva 0,21 (zrak)<0.01 Cr2O3 (thin, protective) <0.02 Excellent Yes 0.21 (air) 0.10-0.30 Cr2O3 + slight volatilisation 0.02-0.05Good Yes (under supervision)
0.21 (air) >0,30 Pojačano isparavanje, razrjeđivanje 0,05-0,10 Umjereno marginalno
10-5 do 10-8 (siromašno izgaranje) 0,05-0,15 Mješoviti Cr2O3/Fe2O3 0.10-0.30 Loše Ne preporučuje se 10-9 do 10-12 (stehiometrijsko izgaranje) 0,10-0,20 FeCr2O4 spinel + isparavanje 0,30-1,00 Vrlo loše Neprihvatljivo
10-12 do 10-15 (bogato izgaranje) 0,10-0,20 Fe 3 O 4 (magnetit) 1,00-3,00 Vrlo loše (škropi) Neprihvatljivo<10-15 (strongly reducing) <0.01 FeO (wustite) >5,00 Ne-zaštitno Neprihvatljivo
Utjecaj sumpora u gorivu i drugih produkata izgaranja

Osim kisika i vodene pare, plinovi izgaranja dobiveni iz fosilnih goriva sadrže sumporni dioksid (SO2) i metale u tragovima koji kataliziraju oksidaciju 316. Cr₂O₃ u interakciji sa SO₂ proizvodi kromove sulfide, koji razgrađuju zaštitni kamenac i dovode do oksidacije koja se odvaja. Za 316 na 600 stupnjeva, brzina oksidacije se udvostručuje koncentracijom sumpora u gorivu većom od 50 ppm (što odgovara oko 100 ppm SO 2 u dimnom plinu). Za goriva sa sadržajem sumpora većim od 500 ppm (npr. loživo ulje ili ugljen s visokim-sumporom) 316 se ne preporučuje za temperature omotača iznad 500oC. Plinovi izgaranja koji sadrže klor (od spaljivanja klorirane plastike ili nekog otpada) još su agresivniji, proizvodeći hlapljive metalne kloride brzinom 10-100 puta većom od korozije temeljene na oksidima. Analiza sastava goriva potrebna je za svaku primjenu u kojoj je 316 omotača izloženo udaru plina izgaranja.

Praktične specifikacije za korištenje grijača izgaranjem

Sljedeći parametri su za 316 obložene grijače u okolini plina za izgaranje pri temperaturi omotača od 600 stupnjeva kako bi se osigurala proizvodnja zaštitnog kamenca i prihvatljive stope rasta oksida. Izgaranje se mora izvesti s viškom zraka (okolnosti oksidacije, pO2 > 0,01 atm) kako bi se zadržao kamenac Cr2O3 – suprotno uobičajenom uvjerenju da su redukcijske atmosfere manje korozivne. Parcijalni tlak vodene pare mora se održavati ispod 0,15 atm (15% vlage po volumenu). To se može učiniti prethodnim-sušenjem zraka za izgaranje ili korištenjem goriva s niskim sadržajem vodika. Gorivo treba imati koncentraciju sumpora nižu od 0,05 % (500 ppm) i, idealno, nižu od 0,01 % (100 ppm). Ako se bilo koji od ovih parametara ne može postići, materijal plašta treba poboljšati na nehrđajući čelik 310 (25Cr-20Ni) ili Inconel 600, a oba imaju veću toleranciju na smanjeni pO2 i veću količinu vodene pare.

Terenska dijagnoza kvara oksidacije izazvanog pO2

Morfologija kamenca za 316 omotača koji ne funkcioniraju u opsluživanju plinom za izgaranje razlikuje uzroke povezane s parcijalnim tlakom kisika. U uvjetima oksidacije (višak zraka), kamenac je tanak (<10 µm), greenish-gray (Cr2O3) and homogeneous. The scale is thick (>50 µm), crna, slojevita i često pokazuje ispucana područja u stehiometrijskim ili blago smanjenim uvjetima. Ljestvica je tamno siva, porozna, neprianjajuća i sadrži wustite (FeO) što je utvrđeno difrakcijom x-zraka pod jako smanjenim uvjetima. Napad generiran sumporom rezultira mikrostrukturom karakterističnom po skali koja je poznata kao "sulfidna žica". Ako grijač ima veliki kamenac i pucanje, okolinu izgaranja treba promijeniti kako bi se osiguralo više dodatnog zraka ili grijač treba premjestiti iz zone najvećeg nedostatka kisika-.

Zaključak: Održavanje oksidacijskih uvjeta za dugovječnost grijača izgaranja 316

Osnovni pO 2 za proizvodnju zaštitnog naslaga Cr 2 O 3 na grijačima s kućištem od nehrđajućeg čelika 316 na 600 stupnjeva u atmosferi plina izgaranja je iznad oko 10-2 atm (2 % kisika po volumenu). Stehiometrijsko ili blago -bogato izgaranje gorivom (pO2=10-9 do 10-12 atm) dovodi do brzog i nezaštitnog razvoja oksida i hlapljivosti kamenca te smanjuje životni vijek grijača s 20.000 sati na 500-2.000 sati. Inženjeri koji određuju 316 omotače za grijače s plamenom ili ispušne aplikacije moraju osigurati da se izgaranje odvija u višku zraka (minimalno 3-5% O₂ u dimnom plinu) i da je sadržaj sumpora u gorivu reguliran. Ovaj okvir povezuje parcijalni tlak kisika s mjerljivim brzinama oksidacije. Omogućuje kupcima da odaberu uvjete izgaranja koji čuvaju zaštitnu ljestvicu krom oksida na 316 grijaćim omotačima i izbjegavaju oksidaciju i preuranjeni kvar.