316 स्टेनलेस स्टील हीटर शीथ टयूबिंग में सिलिकॉन सामग्री का प्रतिशत 0.4% से कम क्यों है, वायु सेवा में 650 डिग्री पर ऑक्सीकरण प्रतिरोध को कम करता है

उच्च तापमान स्केल आसंजन पर प्रमुख प्रभाव डालने वाला लघु मिश्रधातु तत्व

316 स्टेनलेस स्टील में लिपटे और वायु सेवा में उच्च तापमान (650 डिग्री) पर काम करने वाले इलेक्ट्रिक हीटिंग ट्यूबों के लिए, सिलिकॉन सामग्री (आमतौर पर एएसटीएम ए240 द्वारा अधिकतम 0.75% के रूप में निर्धारित) ऑक्सीकरण प्रतिरोध में एक महत्वपूर्ण लेकिन अक्सर उपेक्षित कारक है। 0.4% से कम सिलिकॉन स्तर एक तेजी से विकसित होने वाले लौह समृद्ध ऑक्साइड स्केल का उत्पादन करता है जो आसानी से फैल जाता है, 0.6-1.0% सिलिकॉन युक्त सामग्री की तुलना में म्यान जीवन को 3{11}}5 गुना कम कर देता है। सिलिकॉन स्केल-मेटल संपर्क पर अनाकार या नैनोक्रिस्टलाइन सिलिका (SiO2) की एक पतली निरंतर कोटिंग के उत्पादन की सुविधा प्रदान करता है। यह सिलिका परत एक प्रसार अवरोधक के रूप में काम करती है, जो लोहे और क्रोमियम धनायनों के बाहरी प्रसार और ऑक्सीजन आयनों के आंतरिक प्रसार को रोकती है। यह पेपर 650 डिग्री पर 316 शीथों के लिए सिलिकॉन एकाग्रता, ऑक्सीकरण कैनेटीक्स और स्केल स्पैलिंग व्यवहार के बीच संबंधों की मात्रा का ठहराव प्रस्तुत करता है। यह उच्च तापमान वायु हीटर अनुप्रयोगों के लिए एक विशिष्ट रूपरेखा तैयार करता है।

सिलिका सबस्केल निर्माण में सिलिकॉन की भूमिका

316 स्टेनलेस स्टील के उच्च तापमान ऑक्सीकरण के दौरान, क्रोमियम और लोहा बाहरी Cr2O3/Fe2O3 स्केल बनाने के लिए बाहर की ओर फैलते हैं, और ऑक्सीजन अंदर की ओर फैलती है। ~ 0.4{7}}0.5% से अधिक सिलिकॉन सामग्री पर सिलिकॉन एक पतली (0.1-1.0 µm) निरंतर अनाकार सिलिका परत उत्पन्न करने के लिए स्केल-मेटल संपर्क पर अधिमानतः ऑक्सीकरण करता है। सिलिका की इस कोटिंग में दो रक्षात्मक गुण हैं। सबसे पहले, SiO2 में क्रोमियम का प्रसार गुणांक Cr2O3 की तुलना में परिमाण के लगभग तीन ऑर्डर कम है, जो ऑक्सीकरण दर को काफी कम कर देता है। सिलिका एक "गोंद" परत बनाकर बाहरी पैमाने के यांत्रिक आसंजन को बढ़ाती है जो थर्मल विस्तार बेमेल को अवशोषित करती है। 0.4% से कम सिलिकॉन के मामले में सिलिका परत असंतुलित या गायब है और बाहरी स्केल Cr2O के माध्यम से सीधे धनायन प्रसार द्वारा तेजी से बढ़ता है 3 . गठित स्केल अधिक छिद्रपूर्ण, मोटा होता है, और थर्मल साइक्लिंग द्वारा आसानी से फैल जाता है।

650 डिग्री पर ऑक्सीकरण व्यवहार पर सी सामग्री का प्रभाव: मात्रात्मक संबंध

विभिन्न सिलिकॉन सामग्री के साथ 316 ट्यूबिंग पर नियंत्रित चक्रीय ऑक्सीकरण परीक्षण (हवा में 650 डिग्री पर 1 घंटा चक्र, चक्रों के बीच 100 डिग्री तक मजबूर वायु शीतलन) ने अलग-अलग प्रदर्शन सीमाएं स्थापित की हैं।

सिलिकॉन सामग्री (wt%) क्रोमियम सामग्री (wt%) सिलिका की निरंतर परत? 500 चक्रों के बाद ऑक्सीकरण दर (मिलीग्राम/सेमी²/घंटा) स्केल स्पैलिंग शुरुआत (पहले दिखाई देने वाले स्पैल के लिए चक्र) 5,000 चक्रों के बाद धातु की हानि (µm) 650 डिग्री हवाई सेवा के लिए अनुशंसित<0.2 >16 नहीं (अनुपस्थित) 0.15-0.30<100 150-300 No 0.2-0.3 16-18 No (discontinuous) 0.10-0.20 100-300 100-200 No 0.3-0.4 16-18 Partial (50-70% coverage) 0.08-0.15 200-500 80-150 Marginal 0.4-0.5 17-18 Thin, 50-80% continuous 0.05-0.10 500-1,000 50-100 Acceptable for moderate cycling
0.5-0.6 17-19 सतत (0.2-0.5 µm) 0.03-0.06 1,000-2,500 30-60 अनुशंसित
0.6-0.8 17-19 निरंतर, स्थिर (0.5-1.0 µm) 0.02-0.04 2,500-5,000 20-40स्थायित्व के लिए सर्वोत्तम
0.8-1.0 18-20 Continuous, thicker (1-2 µm) 0.01-0.03 5,000-10,000 10-30 Best for continuous 650°C service1.0 18-20 Continuous but may generate low melting silicides 0.01-0.02 >10,000 <20 Acceptable but monitor for hot shortness
ऑक्सीकरण में सिलिकॉन और मोलिब्डेनम की परस्पर क्रिया

316 stainless steel has 2.0-2.5% molybdenum which enhances pitting resistance in aqueous service but has a severe effect on high temperature oxidation resistance when silicon is low. Molybdenum tends to create volatile oxides (MoO₃) above about 600°C which can break apart the chromium oxide scale. However, with sufficient molybdenum (>0.5%), निरंतर सिलिका उपस्केल मोलिब्डेनम को बाहरी सतह तक पहुंचने से रोकता है और MoO{उप 3} अस्थिरता को दबा देता है। मोलिब्डेनम वाष्पीकरण को 0.4% से नीचे सिलिकॉन स्तर पर बढ़ाया जाता है जिसके परिणामस्वरूप अधिक तेजी से पैमाने पर व्यवधान और तेज ऑक्सीकरण होता है। 600 डिग्री से ऊपर की सेवा के लिए 316 शीथों के लिए मोलिब्डेनम के प्रतिकूल प्रभाव की भरपाई के लिए सिलिकॉन सामग्री को एएसटीएम रेंज (0.6-1.0%) के उच्च पक्ष पर निर्दिष्ट किया जाना चाहिए।

उच्च तापमान हीटर अनुप्रयोगों के लिए सिलिकॉन सामग्री परिभाषा

अनुमानित सेवा जीवन और थर्मल चक्र आवृत्ति के आधार पर, हवा या ऑक्सीकरण दहन गैसों में 650 डिग्री पर काम करने वाले 316 शीथेड हीटरों के लिए निम्नलिखित सिलिकॉन आवश्यकताओं की सिफारिश की जाती है:

सेवा स्थिति शीथ तापमान (डिग्री) थर्मल चक्र प्रति दिन न्यूनतम सिलिकॉन सामग्री (wt%) अनुशंसित सिलिकॉन रेंज (wt%) यदि सिलिकॉन की आवश्यकता पूरी नहीं हो सकती है तो वैकल्पिक मिश्र धातु
लगातार दौड़ें, कभी-कभार साइकिल चलाएं600-650<1 0.50 0.60-0.80 310 stainless steel
रुक-रुक कर हल्की साइकिल चलाना 600-650 1-10 0.60 0.70-1.00 310 एसएस या इनकोनेल 600
Frequent cycling (>10/day) 550-600 >10 0.60 0.70-1.00 इनकोनेल 600
सतत सेवा 650-700<1 >0.70 (316 अनुशंसित नहीं) 0.80-1.00 310 या इनकोनेल की आवश्यकता है
550-650 कोई भी 0.70 0.80-1.00 इनकोनेल 600 अनुशंसित कोई भी सेवा जहां वातावरण में सल्फर मौजूद है सिलिकॉन सामग्री और ऑक्सीकरण प्रदर्शन का सत्यापन

There are three techniques for verifying acceptable silicon content for buyers who specify 316 sheaths for high temperature use. The first is the mill certificate which must report silicon analysis with an acceptable range (say 0.60-0.80%). The second is a simplified oxidation screening test, in which a sample of the tube is heated in air at 650 °C for 100 hours and then cooled to ambient temperature. The sample is weighed before and after. Weight gain < 2 mg/cm² is good silicon oxidation resistance, > 5 mg/cm² is inadequate silicon. The third way is to metallographically cross-section the oxidised sample and assess the thickness and continuity of the silica layer. The continuous silica layer >0.2 µm दर्शाता है कि सिलिकॉन पर्याप्त है। उच्चतम आत्मविश्वास तब होता है जब तीनों सत्यापन आवश्यक होते हैं। महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों के लिए.

कम सिलिकॉन ऑक्सीकरण टूटने का क्षेत्र निदान

For 316 sheaths that have failed in 600-650°C air service, suspect low silicon content if the scale is thick (>200 µm), गैर-{{1}चिपकने वाला (स्पर्श करने पर फैलता है) और हरे-नीले रंग (Cr2O3) के बजाय लाल-भूरा (Fe2O3)। यदि आधार धातु अपर्याप्त थी, तो इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी या स्केल की ईडीएस जांच -धातु इंटरफ़ेस 0.2% से नीचे कोई सिलिकॉन या सिलिकॉन स्तर नहीं दिखाएगा। फेलिंग शीथ उपयुक्त सिलिकॉन वाली सामग्री के लिए 20 से 50 µm की तुलना में 200 से 500 µm (गंभीर खुरदरापन और पतलापन) की धातु हानि दिखाएगा। विफलता मोड में दीवार के टूटने और अंततः अनुदैर्ध्य विभाजन के कारण दीवार का पतला होना बढ़ जाता है, जब शेष दीवार आंतरिक दबाव का सामना नहीं कर पाती है।

निष्कर्ष: सिलिकॉन महत्वपूर्ण उच्च तापमान पैरामीटर

650 डिग्री पर वायु सेवा में 316 स्टेनलेस स्टील लिपटे हीटरों का ऑक्सीकरण प्रतिरोध सीधे मिश्र धातु पैरामीटर सिलिकॉन सामग्री द्वारा नियंत्रित किया जाता है। 0.4% से कम सिलिकॉन सामग्री के साथ ऑक्सीकरण त्वरित और गैर-सुरक्षात्मक होता है और स्केल इस तरह से फैलता है कि हीटर का जीवन 20,000 घंटे से घटकर 3,000-5,000 घंटे हो जाता है। एक निरंतर सिलिका सबस्केल उत्पन्न करने के लिए% सिलिकॉन जोड़ा जाता है जो परिमाण के दो आदेशों द्वारा ऑक्सीकरण को रोकता है और स्पैलिंग को रोकता है। कोई भी अनुप्रयोग जहां म्यान का तापमान 550 डिग्री से अधिक है, उसे न्यूनतम सिलिकॉन सांद्रता 0.50% की आवश्यकता होगी और अधिकतम प्रदर्शन के लिए 0.60-0.80% की सिफारिश की जाएगी। 650 डिग्री या उससे अधिक पर निरंतर सेवा के लिए 700 डिग्री से अधिक की किसी भी सेवा के लिए उच्च सिलिकॉन के साथ भी 316 पर निर्भर रहने के बजाय 310 स्टेनलेस स्टील या इंकोनेल 600 में अपग्रेड करना बेहतर है। मापने योग्य ऑक्सीकरण दरों और स्पैलिंग दीक्षा के लिए सिलिकॉन प्रतिशत को सहसंबंधित करके, यहां प्रस्तावित दृष्टिकोण खरीदारों को 316 शीथ निर्दिष्ट करने की अनुमति देता है जो ऊंचे तापमान पर सुरक्षात्मक पैमाने की अखंडता को संरक्षित करते हैं।