310S vs Incoloy 800: Selecția aliajului rezistent la căldură-pentru aplicații în cuptor și cuptor

Introducere

Inginerii de cuptoare, cuptoare și procesare termică-se confruntă în mod obișnuit cu aceeași decizie materială: specificați un oțel inoxidabil rezistent la căldură-eficient din punctul de vedere al costurilor- sau treceți la un aliaj de nichel-fier-crom construit pentru rezistență susținută la temperatură-înaltă.Oțel inoxidabil 310Sși Incoloy 800 (inclusiv variantele 800H și 800HT) sunt cei doi candidați cel mai frecvent comparați pentru această decizie. Ambele rezistă la oxidare la temperatură ridicată, ambele sunt ușor fabricate și sudate și ambele apar în mod obișnuit în ușile cuptorului, mufele, tuburile radiante și corpurile de-tratare termică.

Performanța lor diferă brusc, totuși, odată ce intră în imagine atmosferele de cementare, sarcina mecanică susținută sau intervalele lungi de service. Acest articol compară cele două aliaje în funcție de compoziție, capacitatea de temperatură, rezistența la oxidare și carburare, rezistența la rupere-la fluaj, cerințele de fabricație și costul total de proprietate, astfel încât inginerii și cumpărătorii să poată potrivi aliajul cu aplicația și nu invers.

Ce diferențiază metalurgic 310S de Incoloy 800?

Diferența de compoziție este cauza principală a fiecărei diferențe de performanță din aval discutată în acest articol. 310S poartă cromul ca element de aliere principal și nichel ca stabilizator secundar de austenită, motiv pentru care este clasificat ca oțel inoxidabil mai degrabă decât un aliaj de nichel. Incoloy 800 inversează acest raport: nichelul este adiția majoritară de aliere, cromul este secundar, iar fierul constituie echilibrul mai degrabă decât metalul de bază. Conținutul mai mare de nichel este ceea ce conferă aliajelor din seria 800-rezistența la difuzia carbonului și rezistența lor păstrată la temperatură - dar nichelul este, de asemenea, materia primă de intrare mai scumpă, motiv pentru care produsele Incoloy din seria 800 au un cost suplimentar persistent peste 310S.

Sursa: ASTM A240/A480 (310S); Specificații ASTM B407/B408/B409 și UNS N08810 (Incoloy 800H). Intervalele sunt limite nominale ale specificațiilor; verificați în raport cu raportul de testare curent al morii.

Alte două detalii de compoziție contează pentru serviciul cuptorului. În primul rând, 310S este o variantă cu emisii reduse de carbon-de gradul standard 310 (care permite până la 0,25% carbon); carbonul mai scăzut din 310S îmbunătățește rezistența la sensibilizare și la coroziune intergranulară după sudare. În al doilea rând, Incoloy 800H este el însuși o variantă de-carbon, controlat-granul-dimensiune a bazei Incoloy 800, iar Incoloy 800HT întărește și mai mult gama de aluminiu-plus-titan - există atât pentru perfecționarea rezistenței, cât și în special pentru rafinamentul cuptoarelor{1} serviciul de încălzire-proces, care este discutat în Secțiunea 4.

Ce aliaj rezistă la temperaturi mai ridicate de funcționare continuă?

310S este în mod obișnuit evaluat pentru rezistența la oxidare continuă până la aproximativ 2.000 de grade F (1.093 de grade) și pentru funcționare intermitentă sau ușor ciclică într-un interval similar, datorită conținutului său ridicat de crom. Limitatorul practic pentru 310S în serviciul cuptorului și cuptoarelor nu este scara de oxid - este formarea de fază sigma-. După o expunere prelungită între aproximativ 1.200 de grade F și 1.650 de grade F (650–900 de grade), oțelurile inoxidabile din familia 310-poate forma o fază sigma intermetalic fragilă care reduce duritatea și ductilitatea la temperatura camerei. Echipamentele care parcurg această bandă de temperatură în mod repetat, cum ar fi ușile cuptorului și componentele arzătorului, sunt mai expuse la acest efect decât echipamentele care funcționează continuu la vârful intervalului de temperatură.

Incoloy 800Hși 800HT sunt evaluate pentru servicii pe termen lung de până la aproximativ 2.000 de grade F (1.093 de grade ), cu excursii de scurtă-durată posibile peste aceasta cu prețul pierderii accelerate a rezistenței și oxidării. Deoarece aliajele din seria 800-sun soluție-recoacetă la minimum 2.100 de grade F (1.149 de grade ) pentru a produce o structură de cereale mai grosieră, mai rezistentă la fluaj- și pentru că conținutul lor mai mare de nichel suprimă același mecanism de fază sigma care afectează 310 de grade, rezistență și ductilitate. porțiune din domeniul de funcționare al cuptorului, inclusiv prin cicluri termice repetate.

Ce aliaj oferă o rezistență mai bună la atmosferele de oxidare și carburare?

Rezistența la oxidare a ambelor aliaje provine în principal din crom, care formează o scală protectoare de-oxid de crom la temperatură înaltă. 310S, de fapt, transportă mai mult crom decât Incoloy 800H (aproximativ 25% față de aproximativ 21%), care este unul dintre motivele pentru care 310S rămâne o atmosferă puternică și economică de oxidare a cuptoarelor de aer. carcase și hardware pentru arzător.

Rezistența la carburare este un mecanism diferit și aici cele două aliaje diferă cel mai puternic. Transferul carbonului pe suprafața metalului dintr-o atmosferă-bogătă în carbon depinde în mare măsură de conținutul de nichel, deoarece nichelul are o solubilitate foarte scăzută pentru carbon și încetinește difuzia acestuia spre interior. Datele de teren privind tubulatura 800H în serviciul de procesare a hidrocarburilor-de cementare arată ductilitatea și integritatea structurală a aliajului care păstrează după ani de expunere, în condițiile în care oțelurile inoxidabile din familia mai scăzută de-nichel 310- se cementează cu mult mai repede. Acesta este motivul principal pentru care Incoloy 800H este materialul de bază pentru tuburile de piroliză de etilenă, componentele cuptorului de cracare a hidrocarburilor și coșurile și dispozitivele de fixare pentru tratare termică care înregistrează cicluri repetate de cementare.

Comparațiile publicate privind rata de coroziune-în mediile cuptoarelor de rafinărie ilustrează decalajul: aliajele Incoloy 800H/800HT au fost măsurate la aproximativ 0,15 mm/an (6,0 mpy), față de aproximativ 0,23 mm/an (8,9 mpy) pentru oțel inoxidabil 310 în condiții comparabile. O rată de coroziune mai mică se traduce direct în durată de viață mai lungă a componentelor și mai puține întreruperi neplanificate pentru inspecție sau înlocuire.

Cum se compară rezistența la fluaj și stres-la rupere la temperatură ridicată?

Fluajul este deformarea lentă,{0}}dependentă de timp a metalului sub sarcină susținută la temperatură ridicată, iar rezistența la rupere la stres-descrie cât de multă solicitare poate suporta un material înainte de a se rupe după un anumit număr de ore de funcționare. Această proprietate contează pentru orice componentă a cuptorului care se află sub sarcină în timp ce este fierbinte - un tub radiant sub presiune internă, un suport refractar care susține un suport sau o bobină într-un cuptor de piroliză -, spre deosebire de componentele care sunt pur și simplu expuse la căldură fără încărcare mecanică semnificativă, cum ar fi o căptușeală de mufă sau un scut.

310S oferă o rezistență moderată la fluaj-la rupere, adecvată pentru componentele puțin încărcate. Incoloy 800H și 800HT au fost dezvoltate special pentru a prelungi durata de viață la rupere prin fluaj-dincolo de ceea ce oferă oțelurile inoxidabile din familia standard 800 sau 310-, printr-un conținut controlat de carbon (0,05–0,10%) și o soluție cu granulație grosieră-coace la un grad minim de 2,9°F (4110). Incoloy 800HT întărește specificațiile pentru aluminiu-și-titan și mai mult decât atât, pentru aplicații care necesită cea mai lungă durată de viață practică sub stres susținut la temperatură înaltă, cum ar fi tuburile pentru cuptor de etilenă și bobinele de piroliză.

Sursa: Compilat din datele specificațiilor ASTM A240/B407/B409 și au publicat studii privind rata de coroziune la temperatură înaltă-și mecanice-pentru 310/310H și Incoloy 800H/800HT în rafinărie și cuptoare. Verificați permisiunile de proiectare față de actuala ASME Secțiunea II Partea D sau ediția de cod aplicabilă înainte de specificația finală.

Care este diferența de cost și când este justificată prima?

Nichelul este în mod constant cel mai mare factor de stabilire a prețurilor de suprataxare a aliajului pentru ambele materiale, dar Incoloy 800H/HT transportă cu aproximativ 50% mai mult nichel în greutate decât 310S, iar nichelul se comercializează de obicei la un multiplu semnificativ al cromului și fierului care formează cea mai mare parte a conținutului de aliaj 310S. Acest lucru face ca aliajele din seria 800-achiziția mai scumpă pe-liră sau pe-picior liniar, înainte ca fabricarea să fie luată în considerare.

Cadrul de decizie care decurge din comparația tehnică de mai sus este simplu. Specificați 310S atunci când componenta vede o atmosferă oxidantă curată, sarcină mecanică ușoară sau lipsită de sarcină și așteptări moderate de viață-de viață - carcase, uși, ventilatoare și scuturi fără-sarcină-se potrivesc obișnuit. Specificați Incoloy 800H sau 800HT atunci când componenta este sub sarcină susținută la temperatură, expusă la o atmosferă de carburare sau de sulfurare sau când costul unei opriri neplanificate pentru a înlocui o componentă defectă depășește substanțial costul materialului premium - tuburi radiante, proces-componentele de încălzire, bobinele de cracare cu etilenă{11111} obișnuite, bobinele de fisurare cu etilenă, bobinele de fisurare cu ciclu lung de încălzire se potriveste.

Cum diferă cerințele de fabricație, sudare și tratament termic?

310S este o soluție-coaptă în intervalul de 1.900–2.100 de grade F (1.030–1.150 de grade ), urmată de răcire rapidă, care pune carburile înapoi în soluție și maximizează rezistența la coroziune. Dacă echipamentele de familie 310-a înregistrat un serviciu extins peste 1.200 de grade F (650 de grade ) și s-a format faza sigma, ductilitatea poate fi, în general, restabilită cu același ciclu de recoacere a soluției-; o recoacere după aproximativ la fiecare 1.000 de ore de serviciu peste 1.200 de grade F este un interval de întreținere citat frecvent pentru echipamentele predispuse la formarea sigma.

Incoloy 800H și 800HT necesită o recoacere în soluție la minimum 2.100 de grade F (1.149 de grade) - vizibil mai mare decât recoacerea utilizată pentru 310S - în mod special pentru a produce o structură a granulelor mai grosiere (de obicei ASTM dimensiunea granulelor care îmbunătățește durata de viață a granulelor){0{9}} Ambele aliaje sunt sudabile prin procese standard de arc de tungsten cu gaz și arc metalic ecranat cu metal de umplutură potrivit sau aproape{12}}potrivit și ambele sunt formate la rece-convențional, deși aliajele din seria 800 pot prezenta o textură de suprafață caracteristică ("coaja de portocală") după formarea la rece grea datorită dimensiunii lor mai grosiere ale granulelor.

Ce aliaj ar trebui să specificați pentru componentele comune ale cuptorului și cuptorului?

Sursa: Ghid general de selecție bazat pe proprietățile aliajului documentate și pe practica obișnuită a cuptorului/cuptoarelor industriale. Selectarea specifică a componentei-ar trebui să țină cont de chimia reală a atmosferei, evaluarea presiunii, frecvența ciclului termic și codul de proiectare aplicabil.

Întrebări frecvente

Î: Pot fi utilizate interschimbabil 310S și Incoloy 800H în același cuptor?

R: Nu în general. Au rate diferite de dilatare termică și comportament diferit la fluaj, astfel încât amestecarea lor într-un singur ansamblu sudat sub sarcină poate crea stres diferențial. Acolo unde ambele aliaje apar în același cuptor, ele sunt utilizate de obicei în componente separate, susținute independent -, de exemplu, o carcasă 310S cu tuburi interioare Incoloy 800H.

Î: Incoloy 800 este același cu Incoloy 800H sau 800HT?

R: Nu. Standardul Incoloy 800 (UNS N08800) permite o gamă mai largă de carbon și nu poartă coacere cu granulație grosieră, soluție de temperatură înaltă-care conferă 800H (UNS N08810) și 800HT (UNS N08811) rezistența lor superioară la rupere{9}. În specificațiile actuale ale cuptorului și al încălzirii de proces-, 800H și 800HT au înlocuit în mare măsură standardul 800.

Î: 310S necesită tratament termic post-sudare?

R: Nu pentru rezistența la coroziune în majoritatea aplicațiilor cuptoarelor, deoarece 310S este un grad scăzut de-carbon, cu o rezistență bună la sensibilizarea-de sudură. Dacă echipamentul va avea un serviciu extins în intervalul de formare sigma-faza-, o recoacere periodică cu soluție - nu o reducere a tensiunii - este tratamentul corectiv adecvat, nu o cerință de rutină post-sudură.

Î: Care este limita practică de temperatură pentru serviciul continuu 310S?

R: Aproximativ 2.000 de grade F (1.093 de grade ) pentru un serviciu de oxidare continuă, cu avertismentul că echipamentele care circulă în intervalul 1.200–1.650 de grade F (650–900 de grade) în mod repetat sunt expuse la faza sigma{10}sigmatică și ar trebui să fie evaluate periodic în timp pentru fragilizarea re{1}1}1}1}ană.

Î: De ce contează atât de mult conținutul de nichel pentru rezistența la carburare?

R: Carbonul are o solubilitate foarte scăzută în nichel și difuzează în el mai lent decât în ​​fier sau crom. Deoarece Incoloy 800H transportă aproximativ 30–35% nichel față de aproximativ 19–22% pentru 310S, carbonul pătrunde mai lent în suprafața sa în condiții identice de cementare, care este principalul motiv pentru care 800H depășește oțelurile inoxidabile din familia 310 în atmosferele cuptoarelor de cementare.