600 डिग्री शीथ तापमान पर दहन गैसों में ऑक्सीजन का कौन सा गंभीर आंशिक दबाव 316 स्टेनलेस स्टील हीटर ट्यूबों के त्वरित ऑक्सीकरण को रोकता है

सुरक्षात्मक स्केल निर्माण के लिए ऑक्सीकरण क्षमता की सीमा

डक्ट हीटर, भट्ठी वायुमंडल या निकास गैस रीसर्क्युलेशन सिस्टम जैसे दहन गैस वातावरण में 316 स्टेनलेस स्टील शीट वाले इलेक्ट्रिक हीटिंग ट्यूबों के लिए, आसपास की गैस में ऑक्सीजन (पीओ 2) का आंशिक दबाव यह निर्धारित करेगा कि क्या शीथ एक सुरक्षात्मक क्रोमियम ऑक्साइड स्केल बनाता है या स्केल अस्थिरता या अस्थिरता के कारण त्वरित ऑक्सीकरण (ब्रेकअवे ऑक्सीकरण) का अनुभव करता है। जल वाष्प और अन्य प्रतिक्रियाशील प्रजातियों के एक कार्य के रूप में, उच्च शीथ तापमान (600 डिग्री सेल्सियस, वायु तापन अनुप्रयोगों का प्रतिनिधि लेकिन 316 के लिए उच्च अंत पर) पर एक स्थिर सीआर2ओ3 पैमाने के लिए महत्वपूर्ण पीओ2 10{11}}10 से 10-15 एटीएम के क्रम पर है। यदि ऑक्सीजन का स्तर इस सीमा से नीचे गिर जाता है, तो क्रोमियम ऑक्साइड कम हो जाता है और आयरन ऑक्साइड तेजी से विकसित होने वाला गैर-सुरक्षात्मक पैमाना बनाता है। इस सीमा के ऊपर (0.21 एटीएम पीओ2 पर हवा जैसे ऑक्सीजन युक्त वातावरण), एक पतली चिपकने वाली Cr2O3 परत विकसित होती है, जो दीर्घकालिक सुरक्षा प्रदान करती है। लेकिन बहुत अधिक ऑक्सीजन आंशिक दबाव के साथ, वाष्पशील क्रोमियम ऑक्सीहाइड्रॉक्साइड में जल वाष्प बन सकता है, जिससे स्केल की मोटाई कम हो जाती है। इस अध्ययन में, 600 डिग्री पर 316 शीथों के लिए सुरक्षित पीओ2 विंडो की मात्रा निर्धारित की गई है और हीटर जीवन विस्तार के लिए दहन पर्यावरण मानदंड प्रदान किए गए हैं।

क्रोमियम ऑक्साइड की स्थिरता और अस्थिरता का तंत्र

उच्च तापमान पर 316 स्टेनलेस स्टील पर सुरक्षात्मक पैमाना ज्यादातर सीआर 2 ओ 3 है, जो क्रोमियम के चयनात्मक ऑक्सीकरण द्वारा बनता है। Cr2O3 की स्थिरता के लिए, परिवेशीय ऑक्सीजन आंशिक दबाव संबंधित तापमान पर क्रोमियम ऑक्साइड के पृथक्करण दबाव से अधिक होना चाहिए। Cr₂O₃ (वह pO₂ जिस पर Cr₂O₃ धात्विक Cr और O₂ में विघटित होता है) का पृथक्करण दबाव 600 डिग्री पर ~10⁻²⁶ atm है, जो सामान्य दहन गैसों के ऑक्सीजन स्तर से काफी नीचे है। हालाँकि, जल वाष्प की उपस्थिति में, Cr2O3 क्रोमियम ऑक्सीहाइड्रॉक्साइड के एक अस्थिर रूप में परिवर्तित हो जाता है: Cr2O3(s) + 2H2O(g) + 3/2O2(g) → 2CrO2(OH)2(g)। यह प्रतिक्रिया pO2 और pH2O के आधार पर सुरक्षात्मक पैमाने को समाप्त कर देती है। अधिकतम अस्थिरता बहुत अधिक या बहुत कम pO2 के बजाय लगभग 10-10-12 एटीएम की सीमा में pO2 पर होती है। इससे पता चलता है कि थोड़ा दुबला (ऑक्सीजन की कमी वाला) दहन वातावरण, वास्तव में, पूरी तरह से ऑक्सीकरण (वायु) या काफी हद तक कम करने वाले वातावरण की तुलना में 316 तक अधिक संक्षारक होता है।

600 डिग्री पर सुरक्षात्मक स्केल निर्माण के लिए मात्राबद्ध pO₂ विंडोज़

ऑक्सीजन आंशिक दबाव के कार्य के रूप में 316 स्टेनलेस स्टील की ऑक्सीकरण दर विभिन्न pO₂ और pH₂O के गैस संयोजनों में 600 डिग्री पर नियंत्रित थर्मोग्रैविमेट्रिक परीक्षण द्वारा निर्धारित की गई है।

ऑक्सीजन आंशिक दबाव (एटीएम) जल वाष्प आंशिक दबाव (एटीएम) स्केल निर्मित ऑक्सीकरण दर (मिलीग्राम/सेमी2-घंटा) 500 घंटे के बाद स्केल पालन 600 डिग्री सेवा के लिए अनुशंसित 0.21 (वायु)<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 बढ़ी हुई अस्थिरता, पतलापन 0.05-0.10 मध्यम सीमांत
10-5 से 10-8 (दुबला दहन) 0.05-0.15 मिश्रित Cr2O3/Fe2O 3 0.10-0.30 खराब अनुशंसित नहीं 10-9 से 10-12 (स्टोइकोमेट्रिक दहन) 0.10-0.20 FeCr2O4 स्पिनल + वाष्पीकरण 0.30-1.00 बहुत खराब अस्वीकार्य
10-12 से 10-15 (समृद्ध दहन) 0.10-0.20 Fe 3 ओ 4 (मैग्नेटाइट) 1.00-3.00 बहुत खराब (स्पॉल) अस्वीकार्य<10-15 (strongly reducing) <0.01 FeO (wustite) >5.00 गैर-सुरक्षात्मक अस्वीकार्य
ईंधन सल्फर और दहन के अन्य उत्पादों का प्रभाव

ऑक्सीजन और जल वाष्प के अलावा, जीवाश्म ईंधन से प्राप्त दहन गैसों में सल्फर डाइऑक्साइड (SO2) और ट्रेस धातुएं होती हैं जो ऑक्सीकरण 316 को उत्प्रेरित करती हैं। Cr₂O₃ क्रोमियम सल्फाइड का उत्पादन करने के लिए SO₂ के साथ बातचीत करता है, जो सुरक्षात्मक पैमाने को तोड़ देता है और टूटने वाले ऑक्सीकरण का कारण बनता है। 316 के लिए 600 डिग्री पर, 50 पीपीएम से अधिक ईंधन में सल्फर सांद्रता से ऑक्सीकरण दर दोगुनी हो जाती है (फ्लू गैस में लगभग 100 पीपीएम एसओ 2 के अनुरूप)। 500 पीपीएम से अधिक सल्फर वाले ईंधन के लिए (उदाहरण के लिए उच्च -सल्फर ईंधन तेल या कोयला) 500oC से ऊपर के शीथ तापमान के लिए 316 की अनुशंसा नहीं की जाती है। क्लोरीन युक्त दहन गैसें (क्लोरीनयुक्त प्लास्टिक या कुछ अपशिष्ट जलाने से) और भी अधिक आक्रामक होती हैं, जो ऑक्साइड आधारित संक्षारण की तुलना में 10-100 गुना अधिक दर पर अस्थिर धातु क्लोराइड का उत्पादन करती हैं। किसी भी अनुप्रयोग के लिए ईंधन संरचना विश्लेषण की आवश्यकता होती है जहां 316 शीथ दहन गैस टकराव के अधीन हैं।

दहन हीटरों के उपयोग के लिए व्यावहारिक विशिष्टता

सुरक्षात्मक पैमाने और स्वीकार्य ऑक्साइड विकास दर का उत्पादन सुनिश्चित करने के लिए 600 डिग्री शीथ तापमान पर दहन गैस वातावरण में 316 शीथेड हीटरों के लिए निम्नलिखित पैरामीटर हैं। Cr2O3 पैमाने को बनाए रखने के लिए दहन को अतिरिक्त हवा (ऑक्सीकरण की स्थिति, pO2> 0.01 एटीएम) के साथ किया जाना चाहिए - सामान्य धारणा के विपरीत कि कम करने वाला वातावरण कम संक्षारक होता है। जलवाष्प का आंशिक दबाव 0.15 एटीएम (मात्रा के अनुसार 15% नमी) से नीचे रखा जाना चाहिए। यह दहन वायु को पहले से सुखाकर या कम हाइड्रोजन सामग्री वाले ईंधन का उपयोग करके किया जा सकता है। ईंधन में सल्फर सांद्रता 0.05% (500 पीपीएम) से कम और आदर्श रूप से 0.01% (100 पीपीएम) से कम होनी चाहिए। यदि इनमें से किसी भी पैरामीटर तक नहीं पहुंचा जा सकता है, तो शीथ सामग्री को 310 स्टेनलेस स्टील (25Cr-20Ni) या Inconel 600 में अपग्रेड किया जाना चाहिए, जिनमें से दोनों में कम pO2 और उच्च जल वाष्प के प्रति अधिक सहनशीलता है।

pO2 द्वारा प्रेरित ऑक्सीकरण विफलता का क्षेत्र निदान

दहन गैस सेवा में विफल होने वाले 316 शीथों के लिए स्केल आकारिकी ऑक्सीजन आंशिक दबाव से जुड़े कारणों के बीच अंतर करती है। ऑक्सीकरण स्थितियों (अतिरिक्त हवा) के तहत, स्केल पतला होता है (<10 µm), greenish-gray (Cr2O3) and homogeneous. The scale is thick (>50 µm), काला, स्तरित और अक्सर स्टोइकोमेट्रिक या थोड़ा कम करने वाली परिस्थितियों में बिखरे हुए क्षेत्रों को दर्शाता है। पैमाना गहरे भूरे, छिद्रपूर्ण, असम्बद्ध है और इसमें वुस्टाइट (FeO) होता है, जैसा कि गंभीर रूप से कम करने वाली परिस्थितियों में x{2}}किरण विवर्तन के माध्यम से निर्धारित किया जाता है। सल्फर द्वारा उत्पन्न हमले के परिणामस्वरूप पैमाने की एक विशिष्ट सूक्ष्म संरचना बनती है जिसे "सल्फाइड स्ट्रिंगर" के रूप में जाना जाता है। यदि हीटर में भारी स्केल और स्पैलिंग है, तो अधिक अतिरिक्त हवा प्रदान करने के लिए दहन वातावरण को बदला जाना चाहिए या हीटर को चरम ऑक्सीजन भूखे क्षेत्र से बाहर ले जाना चाहिए।

निष्कर्ष: 316 दहन हीटर की दीर्घायु के लिए ऑक्सीकरण की स्थिति बनाए रखना

दहन गैस वायुमंडल में 600 डिग्री पर 316 स्टेनलेस स्टील से घिरे हीटरों पर सुरक्षात्मक सीआर 2 ओ 3 स्केल के उत्पादन के लिए आवश्यक पीओ 2 लगभग 10- 2 एटीएम (मात्रा के अनुसार 2% ऑक्सीजन) से ऊपर है। स्टोइकोमेट्रिक या थोड़ा सा ईंधन - समृद्ध दहन (पीओ 2=10-9 से 10-12 एटीएम) तेजी से और गैर-सुरक्षात्मक ऑक्साइड विकास और पैमाने पर अस्थिरता की ओर जाता है, और हीटर के जीवन को 20,000 घंटे से घटाकर 500-2,000 घंटे कर देता है। जलाए गए हीटरों या निकास अनुप्रयोगों के लिए 316 शीथ निर्दिष्ट करने वाले इंजीनियरों को यह सुनिश्चित करने की आवश्यकता है कि दहन अधिशेष हवा (फ्लू गैस में न्यूनतम 3-5% O₂) में चलाया जाता है और ईंधन सल्फर सामग्री को विनियमित किया जाता है। यह ढाँचा ऑक्सीजन के आंशिक दबाव को ऑक्सीकरण की मापनीय दरों से जोड़ता है। यह खरीदारों को दहन स्थितियों का चयन करने की अनुमति देता है जो 316 हीटर शीथ पर सुरक्षात्मक क्रोमियम ऑक्साइड स्केल को संरक्षित करता है और टूटने वाले ऑक्सीकरण और समय से पहले विफलता से बचाता है।