130-160 डिग्री पर पिघले हुए यूरिया में 316 स्टेनलेस स्टील शीथ इलेक्ट्रिक हीटिंग ट्यूब जलीय यूरिया घोल में नमनीय रहते हुए 12 महीने के भीतर इंटरग्रेनुलर कार्बराइजेशन और एम्ब्रिटलमेंट क्यों विकसित करते हैं?

यूरिया उत्पादन में उपयोग की जाने वाली इलेक्ट्रिक हीटिंग ट्यूब, मुख्य रूप से कार्बामेट कंडेनसर, यूरिया प्रिलिंग टॉवर और पिघले हुए भंडारण टैंक में, 130-160 डिग्री के तापमान पर पिघले हुए यूरिया (एनएच 2 -सीओ-एनएच 2) के संपर्क में आती हैं। कई नाइट्रोजन उर्वरक सुविधाओं की फ़ील्ड विफलताओं से पता चलता है कि पिघले हुए यूरिया के उपयोग के 6-12 महीनों के बाद 316 स्टेनलेस स्टील शीथ भंगुर हो जाते हैं और टूट जाते हैं। समान हीटरों का उपयोग जलीय यूरिया समाधान (32% एन समाधान, 60 डिग्री तक परिवेश) में समान गिरावट के बिना वर्षों से किया जाता है। पिघले हुए यूरिया में विफलता प्रक्रिया कार्बराइजेशन, 316 स्टेनलेस स्टील जाली में कार्बन का प्रसार और आंतरिक क्रोमियम कार्बाइड की वर्षा में से एक है। 130 डिग्री से अधिक तापमान पर, पिघला हुआ यूरिया सायनिक एसिड (HNCO), अमोनिया और ब्यूरेट में विघटित हो जाता है, जो सक्रिय कार्बन प्रजातियों को देने के लिए विघटित हो जाता है। तरल माध्यम में प्रभावी द्रव्यमान स्थानांतरण के कारण, इन कार्बन परमाणुओं की म्यान सतह में फैलने की दर समान तापमान पर गैसीय कार्बराइजिंग वायुमंडल की तुलना में 10-100 गुना अधिक है। कार्बराइज्ड परत में क्रोमियम की कमी हो जाती है (क्रोमियम को कार्बाइड के रूप में बांध दिया जाता है) और डक्टाइल ऑस्टेनाइट से कार्बाइड और मार्टेंसाइट के कठोर भंगुर मिश्रण में बदल जाता है। इसके बाद उभरी हुई परत गर्मी चक्रण या यांत्रिक तनाव के तहत टूट जाती है, जिससे दरारें शुरू हो जाती हैं जो शेष लचीले कोर के माध्यम से फैलती हैं। यह लेख पिघले हुए यूरिया में 316 के कार्बराइजेशन की गतिकी, परिणामी भंगुरता का अनुमान लगाता है और यूरिया पिघल सेवा के लिए मिश्र धातु चयन की जानकारी प्रदान करता है।

यूरिया कार्बन गतिविधि का थर्मल अपघटन
Urea has a melting point of 133°C. Above this temperature it has two competing breakdown processes . The principal reaction at 130-160°C is: NH₂-CO-NH₂ → HNCO + NH₃. Cyanic acid (HNCO) trimerizes to cyanuric acid or combines with urea to provide biuret: NH₂-CO-NH₂ + HNCO → NH₂-CO-NH-CO-NH₂ (biuret). The biuret is decomposed further at temperatures over 160 °C: NH₂ - CO - NH - CO - NH₂ ->2HNCO + NH₃. 150 डिग्री पर पिघले हुए यूरिया में कार्बन की संतुलन गतिविधि 0.3-0.6 होने का अनुमान है, जो ऑस्टेनिटिक स्टेनलेस स्टील्स को कार्बराइज करने के लिए पर्याप्त है। इसके विपरीत, सामान्य कार्बराइजिंग फर्नेस वायुमंडल (0.8-1.0% C क्षमता) में कार्बन गतिविधि 0.8 से 1.2 तक होती है। पिघले हुए यूरिया में कार्बन गतिविधि औद्योगिक गैस कार्बराइजिंग की तुलना में कम है, लेकिन लंबे समय तक एक्सपोज़र (महीनों से वर्षों) तक काफी बनी रहती है।

जलीय यूरिया से मुख्य अंतर मौलिक है। पानी के घोल में यूरिया स्थिर होता है और 100 C से नीचे विघटित नहीं होता है। जलीय यूरिया हीटरों में केवल यूरिया अणु देखा जाता है जो कार्बराइजिंग नहीं कर रहा है। पिघले हुए यूरिया में, टूटने वाले उत्पाद 133 डिग्री से अधिक तापमान पर सक्रिय कार्बन बनाते हैं, और कार्बराइजेशन को दबाने के लिए पानी नहीं होता है (जल गैस प्रतिक्रिया: H₂O + C → CO + H₂ अगर पानी मौजूद होता तो कार्बन हटा देता, लेकिन पिघला हुआ यूरिया सूखा होता है)।

कार्बराइजेशन गहराई और माइक्रोस्ट्रक्चर विकास की मात्रा का निर्धारण
पिघले हुए यूरिया (तकनीकी ग्रेड, 99.5%) में 145 डिग्री, 150 डिग्री और 160 डिग्री पर 10,000 घंटे (लगभग 14 महीने) तक डुबोए गए 316 स्टेनलेस स्टील (2 मिमी मोटी, घोल एनील्ड) के कूपन नमूनों पर नियंत्रित एक्सपोज़र परीक्षण किए गए हैं। नमूनों को अंतराल पर लिया गया, दहन विश्लेषण द्वारा कार्बन सामग्री के लिए खंडित और विश्लेषण किया गया, मेटलोग्राफी द्वारा कार्बाइड अवक्षेपण और मोड़ परीक्षण द्वारा भंगुरता का विश्लेषण किया गया।

तापमान (डिग्री) एक्सपोज़र समय (घंटे) केस की गहराई (µm, 0.1% C लाभ) सतह कार्बन (wt%, मूल 0.03-0.06%) सतह पर Cr की कमी (wt%, मूल 16-17%) मोड़ लचीलापन (अवशिष्ट बढ़ाव, मूल लंबाई का %)
145 1000 15 0.18 14.2 85% 145 2000 30 0.32 12.8 60% 145 4000 60 0.55 10.5 30% 145 6000 80 0.70 9.0 15% 145 8000 100 0.82 7.8 5% (भंगुर अस्थिभंग) 145 10000 120 0.91 6.5<5% (very brittle) 150 4000 90 0.68 9.5 20% 160 2000 100 0.85 8.0 10%
कार्बराइजेशन कैनेटीक्स परवलयिक हैं: मामले की गहराई समय के वर्गमूल के समानुपाती होती है। 145 डिग्री पर 10,000 घंटों के बाद 120 µm की केस गहराई हासिल की गई। यहां क्रोमियम को 16-17% से घटाकर 6.5% तक कम कर दिया गया, जिससे ऑस्टेनाइट क्रोमियम कार्बाइड (Cr₂₃C₆) और कार्बन सुपरसैचुरेटेड मार्टेंसाइट के मिश्रण में बदल गया। भंगुरता गंभीर है: 6000 घंटों (8.5 महीने) के बाद मोड़ लचीलापन मूल के 15% तक कम हो गया था और नमूने न्यूनतम विरूपण के साथ बिखर गए थे। 10,000 घंटे (14 महीने) के बाद सामग्री झुकने पर कांच की तरह बन गई, 1% से कम तनाव पर टूट गई।

विफलता मोड: कार्बराइज्ड लेयर क्रैकिंग और स्पैलेशन
कार्बराइज्ड सतह परत के थर्मल विस्तार का गुणांक अनकार्बराइज्ड कोर की तुलना में लगभग 20% कम है। थर्मल साइक्लिंग के दौरान थर्मल तनाव, जैसे हीटर चालू/बंद चक्र या प्रक्रिया शटडाउन, भंगुर कार्बराइज्ड परत के टूटने का कारण बनता है। एक बार जब फ्रैक्चर विकसित हो जाता है, तो यह कार्बाइड नेटवर्क के साथ या अनाज की सीमाओं के माध्यम से यात्रा कर सकता है। विषम परिस्थितियों में, कार्बराइज्ड धातु की परत उतर जाती है, जिससे ताजा धातु कार्बराइज होने के लिए उजागर हो जाती है और प्रक्रिया तेज हो जाती है।

यूरिया प्रिलिंग टॉवर (150 डिग्री सेल्सियस, 12 महीने की सेवा) से विफल शीथ की फील्ड जांच से सतह पर लंबवत महत्वपूर्ण क्रैकिंग के साथ 150-200 माइक्रोन का कार्बोराइज्ड केस सामने आया। अनकार्बराइज्ड कोर में दरारें 50-100 µm तक फैली हुई थीं और कुछ पूरी 1.5 मिमी दीवार की मोटाई में घुस गई थीं। फ्रैक्चर की सतह पर मिश्रित इंटरग्रेन्युलर और ट्रांसग्रेन्युलर फ्रैक्चर दिखा, जिसमें कोई उल्लेखनीय विकृति नहीं थी, जिसने भंगुरता की पुष्टि की।

कार्बराइजेशन की दर पर यूरिया की शुद्धता और एडिटिव्स का प्रभाव
वाणिज्यिक यूरिया में आमतौर पर विनिर्माण प्रक्रिया के कारण अशुद्धता के रूप में ब्यूरेट (0.5-1.5%) होता है। ब्यूरेट यूरिया की तुलना में अधिक प्रतिक्रियाशील है और कार्बराइजेशन को तेज करता है। शुद्ध यूरिया (99.9%) की तुलना करते हुए 2000 घंटों में 150 डिग्री पर परीक्षण<0.1% biuret) with technical grade urea (99.0%, 0.8% biuret) showed:

यूरिया ग्रेड में बायोरेट सामग्री (%)कार्बराइज्ड केस की गहराई 2000 घंटे (µm) सतह कार्बन (wt.%)कार्बराइजिंग दर (सापेक्ष)
शुद्ध यूरिया (प्रयोगशाला ग्रेड)<0.1 35 0.48 1.0 (base line)
तकनीकी ग्रेड (मानक कृषि) 0.8 55 0.62 1.6
फॉर्मेलिन एडिटिव के साथ तकनीकी ग्रेड (0.5%) 0.8 + एचसीएचओ 25 0.40 0.7 (निषिद्ध)
बायोरेट उत्पादन को कम करने और सक्रिय कार्बन प्रजातियों को ख़त्म करने के लिए यूरिया को कभी-कभी फॉर्मेलिन (फॉर्मेल्डिहाइड) के साथ पूरक किया जाता है। परीक्षण से पता चला कि फॉर्मेलिन कार्बराइजेशन की दर को बहुत धीमा कर देता है, जो उपचारित यूरिया का उपयोग करने वाले कुछ यूरिया कारखानों द्वारा रिपोर्ट की गई विस्तारित हीटर जीवन की व्याख्या करता है।

वैकल्पिक सामग्री पिघला हुआ यूरिया सेवा
कुछ सामग्रियां पिघले हुए यूरिया में कार्बराइजेशन के प्रति अधिक प्रतिरोधी होती हैं। चुनाव तापमान और अनुमानित सेवा जीवन पर निर्भर करता है।

Sheath Material Carburised Case Depth at 150°C, 5000 hrs (µm) Surface Hardness (HV, after exposure)Embrittlement (bend ductility loss)Relative CostRecommended for Molten Urea >140 डिग्री
316 स्टेनलेस स्टील 100 450 (भंगुर) गंभीर (95% हानि) 1.0 नहीं (8-12 महीने में विफल)
310 एसएस (25Cr-20Ni) 60 350 मध्यम (60% हानि) 1.8 सीमांत, 18-24 महीने
मिश्र धातु 800 (32Ni-21Cr) 25 280 हल्का (30% हानि) 2.5 स्वीकार्य, 36-48 महीने
मिश्र धातु 600 (72Ni-15Cr-8Fe) 8 220 न्यूनतम (10% हानि) 5.0 अच्छा, 60+ महीने
मिश्र धातु 601 60Ni-23Cr-14Fe 5 210 कम 5.5 उत्कृष्ट
टाइटेनियम ग्रेड 2 0 (कोई कार्बराइजेशन नहीं) 180 (समान) कोई नहीं 2.2 उत्कृष्ट लेकिन 180oC पर नाइट्राइडिंग का खतरा
मिश्र धातु 600 (इंकोनेल 600) का उपयोग 140-150 डिग्री पर +5 वर्षों से यूरिया पिघलाने वाले हीटरों में प्रभावी ढंग से किया जा रहा है। निकल की पर्याप्त मात्रा (72%) कार्बन प्रसार को रोकती है और कार्बाइड वर्षा के विरुद्ध ऑस्टेनाइट को स्थिर करती है। मिश्र धातु 601, निकेल में तुलनीय लेकिन क्रोमियम में अधिक, काफी अधिक प्रतिरोधी है। टाइटेनियम ग्रेड 2 उसी तरह से कार्बोराइज़ नहीं करता है (टाइटेनियम एक सतह TiC परत का उत्पादन करता है जो अतिरिक्त कार्बन घुसपैठ को रोकता है) लेकिन 180 डिग्री से अधिक अमोनिया अपघटन उत्पादों से नाइट्राइडिंग के प्रति संवेदनशील हो सकता है। टाइटेनियम 130-160 डिग्री से ऊपर उपयुक्त है।

विशिष्टता भाषा पिघला हुआ यूरिया हीटर
133 डिग्री से अधिक तापमान पर पिघले हुए यूरिया के साथ सेवा के लिए खरीदी गई इलेक्ट्रिक हीटिंग ट्यूबों के लिए 316 स्टेनलेस स्टील का उपयोग न करें। 24 महीने से अधिक सेवा जीवन के लिए, न्यूनतम आवश्यकता मिश्र धातु 600 (यूएनएस एन06600) या मिश्र धातु 601 (यूएनएस एन06601) शीथ सामग्री है। 145 डिग्री से नीचे डिजाइन यूरिया तापमान और 0.5% से नीचे ब्यूरेट सामग्री वाली सेवाओं के लिए 310 स्टेनलेस स्टील (यूएनएस एस31000) का संभावित अनुप्रयोग, लेकिन वार्षिक दीवार मोटाई माप और 18-24 महीनों में निर्धारित प्रतिस्थापन की आवश्यकता होती है। यदि मौजूदा प्रणालियों में 316 का उपयोग किया जाना चाहिए, तो निम्नलिखित आवश्यकताओं को शामिल करें: यूरिया तापमान को यथासंभव कम रखें (आदर्श रूप से 135-140 डिग्री, 145 डिग्री से अधिक नहीं); ब्यूरेट सामग्री को कम से कम करें (यदि उपलब्ध हो तो फॉर्मेलिन के साथ यूरिया का उपयोग करें); थर्मल साइक्लिंग से बचने के लिए लगातार काम करें; और दिखावट की परवाह किए बिना हर 6 महीने में शीथ बदलें। नए संयंत्रों के लिए, टाइटेनियम ग्रेड 2 या ग्रेड 7 160 डिग्री तक पिघला हुआ यूरिया सेवा के लिए प्रदर्शन संतुलन के लिए एक अच्छी लागत प्रदान करता है, बशर्ते कि हीटर 180 डिग्री से ऊपर के तापमान के संपर्क में न आए जहां टाइटेनियम नाइट्राइडिंग एक मुद्दा बन जाता है। इंजीनियरों का मानना ​​है कि पिघला हुआ यूरिया एक कार्बराइजिंग वातावरण है जो जलीय यूरिया से बहुत अलग है और ऐसी सामग्रियों का चयन कर सकता है जो कार्बन प्रसार और भंगुरता के प्रतिरोधी हैं, जिससे हीटर का जीवन महीनों से वर्षों तक बढ़ जाता है।