310S so với Incoloy 800: Lựa chọn hợp kim chịu nhiệt-cho các ứng dụng lò nung và lò nung

Giới thiệu

Các kỹ sư xử lý lò nung, lò nung và xử lý nhiệt-thường phải đối mặt với cùng một quyết định về vật liệu: chỉ định loại thép không gỉ chịu nhiệt-hiệu quả về mặt chi phí{2}}hoặc nâng cấp lên hợp kim niken-sắt-crom được chế tạo để có độ bền nhiệt độ-cao bền vững.Thép không gỉ 310Svà Incoloy 800 (bao gồm các biến thể 800H và 800HT) là hai ứng cử viên được so sánh phổ biến nhất cho quyết định này. Cả hai đều chống lại quá trình oxy hóa ở nhiệt độ cao, cả hai đều dễ dàng chế tạo và hàn và cả hai đều xuất hiện thường xuyên trong cửa lò, tấm giảm âm, ống bức xạ và thiết bị xử lý nhiệt.

Tuy nhiên, hiệu suất của chúng có sự khác biệt rõ rệt khi áp dụng bầu khí quyển cacbon hóa, tải trọng cơ học duy trì hoặc khoảng thời gian sử dụng dài. Bài viết này so sánh hai hợp kim về thành phần, khả năng chịu nhiệt độ, khả năng chống oxy hóa và cacbon hóa, độ bền-khi rão, yêu cầu chế tạo và tổng chi phí sở hữu để các kỹ sư và người mua có thể kết hợp hợp kim với ứng dụng thay vì ngược lại.

Điều gì phân biệt 310S với Incoloy 800 về mặt luyện kim?

Sự khác biệt về thành phần là nguyên nhân cốt lõi của mọi sự khác biệt về hiệu suất sau này được thảo luận trong bài viết này. 310S mang crom làm nguyên tố hợp kim chính và niken làm chất ổn định austenit thứ cấp, đó là lý do tại sao nó được phân loại là thép không gỉ chứ không phải hợp kim niken. Incoloy 800 đảo ngược tỷ lệ đó: niken là chất bổ sung hợp kim chủ yếu, crom là thứ cấp và sắt tạo nên sự cân bằng chứ không phải là kim loại cơ bản. Hàm lượng niken cao hơn là yếu tố mang lại cho các hợp kim dòng 800-khả năng chống khuếch tán carbon và độ bền được giữ lại ở nhiệt độ - nhưng niken cũng là nguyên liệu thô đầu vào đắt tiền hơn, đó là lý do tại sao các sản phẩm dòng Incoloy 800 có chi phí cao hơn 310S.

Nguồn: ASTM A240/A480 (310S); Thông số kỹ thuật máy nghiền ASTM B407/B408/B409 và UNS N08810 (Incoloy 800H). Phạm vi là giới hạn thông số kỹ thuật danh nghĩa; xác minh dựa trên báo cáo thử nghiệm nhà máy hiện tại.

Hai chi tiết thành phần khác quan trọng đối với dịch vụ lò nung. Đầu tiên, 310S là biến thể-cacbon thấp của loại 310 tiêu chuẩn (cho phép chứa tới 0,25% cacbon); lượng carbon thấp hơn trong 310S cải thiện khả năng chống nhạy cảm và ăn mòn giữa các hạt sau khi hàn. Thứ hai, Incoloy 800H bản thân nó là một biến thể kích thước-cacbon,{9}}hạt{10}}được kiểm soát của Incoloy 800 cơ bản và Incoloy 800HT thắt chặt hơn nữa phạm vi nhôm-cộng với-titan - cả hai cải tiến đều tồn tại đặc biệt để nâng cao độ bền-độ rão cho lò nung và quy trình{17}}dịch vụ gia nhiệt, sẽ được thảo luận trong Phần 4.

Hợp kim nào chịu được nhiệt độ hoạt động liên tục cao hơn?

310S thường được đánh giá về khả năng chống oxy hóa liên tục lên tới khoảng 2.000 độ F (1.093 độ) và cho dịch vụ không liên tục hoặc theo chu kỳ nhẹ trong phạm vi tương tự, do hàm lượng crom cao. Giới hạn thực tế cho 310S trong lò nung và dịch vụ lò nung không phải là thang oxit - mà là sự hình thành pha sigma-. Sau khi tiếp xúc kéo dài ở nhiệt độ khoảng 1.200 độ F đến 1.650 độ F (650–900 độ ), thép không gỉ dòng 310{17}}có thể tạo thành pha sigma liên kim loại giòn làm giảm độ bền và độ dẻo ở nhiệt độ phòng. Thiết bị luân chuyển qua dải nhiệt độ này nhiều lần, chẳng hạn như cửa lò và các bộ phận đầu đốt, dễ bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng này hơn so với thiết bị hoạt động liên tục ở mức cao nhất của dải nhiệt độ.

Incoloy 800Hvà 800HT được xếp hạng để sử dụng lâu dài ở nhiệt độ-lên tới khoảng 2.000 độ F (1.093 độ ), với những chuyến đi-trong thời gian ngắn có thể cao hơn mức đó với cái giá phải trả là mất độ bền và oxy hóa nhanh hơn. Vì hợp kim sê-ri 800-là hợp kim-được ủ ở nhiệt độ tối thiểu là 2.100 độ F (1.149 độ ) để tạo ra cấu trúc hạt thô hơn, có khả năng chống rão-cao hơn và vì hàm lượng niken cao hơn của chúng ngăn chặn cơ chế pha sigma tương tự ảnh hưởng đến 310S nên chúng có xu hướng duy trì độ dẻo và độ bền hữu dụng trên phần rộng hơn của phạm vi hoạt động của lò, bao gồm cả thông qua chu trình nhiệt lặp đi lặp lại.

Hợp kim nào mang lại khả năng chống oxy hóa và cacbon hóa tốt hơn trong khí quyển?

Khả năng chống oxy hóa ở cả hai hợp kim chủ yếu đến từ crom, tạo thành lớp oxit crom-bảo vệ ở nhiệt độ cao. 310S thực sự mang nhiều crom hơn Incoloy 800H (khoảng 25% so với khoảng 21%), đó là một lý do khiến 310S vẫn hoạt động mạnh mẽ, tiết kiệm trong môi trường oxy hóa sạch như lò nung không khí, vỏ lò nung và phần cứng đầu đốt.

Khả năng chống cacbon hóa là một cơ chế khác và đây là lúc hai hợp kim phân kỳ rõ ràng nhất. Quá trình chuyển cacbon vào bề mặt kim loại từ bầu không khí giàu cacbon-phụ thuộc rất nhiều vào hàm lượng niken, vì niken có độ hòa tan cacbon rất thấp và làm chậm quá trình khuếch tán vào bên trong của nó. Dữ liệu thực địa về ống 800H trong dịch vụ xử lý cacbon hóa-cacbon hóa cho thấy hợp kim vẫn giữ được độ dẻo và tính toàn vẹn về cấu trúc sau nhiều năm tiếp xúc, trong điều kiện mà các loại thép không gỉ thuộc họ-niken 310- thấp hơn cacbon hóa nhanh hơn đáng kể. Đây là lý do chính khiến Incoloy 800H là vật liệu đương nhiên cho các ống nhiệt phân ethylene, các thành phần lò nứt hydrocarbon, giỏ và đồ đạc xử lý nhiệt có chu trình cacbon hóa lặp đi lặp lại.

Các so sánh tốc độ-ăn mòn đã công bố trong môi trường lò luyện lọc minh họa khoảng cách: Hợp kim Incoloy 800H/800HT được đo ở mức xấp xỉ 0,15 mm/năm (6,0 mpy), so với khoảng 0,23 mm/năm (8,9 mpy) đối với thép không gỉ dòng 310 trong các điều kiện tương đương. Tốc độ ăn mòn thấp hơn trực tiếp dẫn đến tuổi thọ linh kiện dài hơn và ít trường hợp ngừng hoạt động ngoài kế hoạch để kiểm tra hoặc thay thế.

Độ rão và ứng suất-so sánh độ bền đứt ở nhiệt độ cao như thế nào?

Độ rão là sự biến dạng chậm, phụ thuộc vào thời gian-của kim loại dưới tải trọng liên tục ở nhiệt độ cao và độ bền ứng suất-khi đứt mô tả mức độ căng thẳng mà vật liệu có thể chịu trước khi bị gãy sau một số giờ sử dụng nhất định. Đặc tính này quan trọng đối với bất kỳ thành phần lò nào chịu tải khi nóng - ống bức xạ dưới áp suất bên trong, giá treo vật liệu chịu lửa hoặc cuộn dây trong lò nhiệt phân -, khác biệt với các thành phần chỉ tiếp xúc với nhiệt mà không có tải trọng cơ học đáng kể, chẳng hạn như lớp lót hoặc tấm chắn.

310S cung cấp độ bền đứt-từ biến vừa phải, thích hợp cho các bộ phận chịu tải nhẹ. Incoloy 800H và 800HT được phát triển đặc biệt để kéo dài tuổi thọ rão-vượt xa những gì mà thép không gỉ dòng 800 hoặc 310{10}}tiêu chuẩn mang lại, thông qua hàm lượng cacbon được kiểm soát (0,05–0,10%) và ủ{{17}dung dịch hạt thô ở nhiệt độ tối thiểu là 2.100 độ F (1.149 độ ). Ngoài ra, Incoloy 800HT còn thắt chặt hơn nữa thông số kỹ thuật về nhôm{18}}và titan dành cho các ứng dụng đòi hỏi tuổi thọ sử dụng thực tế dài nhất dưới áp lực nhiệt độ cao kéo dài, chẳng hạn như ống lò ethylene và cuộn nhiệt phân.

Nguồn: Được tổng hợp từ dữ liệu thông số kỹ thuật ASTM A240/B407/B409 và các nghiên cứu về đặc tính cơ học và-tỷ lệ ăn mòn ở nhiệt độ-cao-cao dành cho 310/310H và Incoloy 800H/800HT trong nhà máy lọc dầu và lò nung. Xác minh các khả năng cho phép của thiết kế so với ASME Phần II Phần D hiện tại hoặc ấn bản mã hiện hành trước thông số kỹ thuật cuối cùng.

Sự khác biệt về chi phí là gì và khi nào mức phí bảo hiểm là hợp lý?

Niken luôn là động lực lớn nhất trong việc định giá phụ phí hợp kim cho cả hai vật liệu, nhưng Incoloy 800H/HT mang trọng lượng niken nhiều hơn khoảng 50% so với 310S và niken thường giao dịch ở mức bội số đáng kể của crom và sắt tạo nên phần lớn hàm lượng hợp kim của 310S. Điều này làm cho hợp kim sê-ri 800- trở nên đắt hơn nếu tính trên cơ sở mỗi- pound hoặc mỗi- foot tuyến tính, thậm chí trước khi xem xét việc chế tạo.

Khung quyết định dựa trên so sánh kỹ thuật ở trên rất đơn giản. Chỉ định 310S khi thành phần có bầu không khí oxy hóa sạch, tải trọng cơ học nhẹ hoặc không có tải trọng cơ học và-tuổi thọ mong đợi - ở mức vừa phải. Vỏ lò, cửa, quạt và tấm chắn-không chịu tải-là những loại phù hợp phổ biến. Chỉ định Incoloy 800H hoặc 800HT khi bộ phận chịu tải liên tục ở nhiệt độ, tiếp xúc với môi trường cacbon hóa hoặc sunfua hóa hoặc khi chi phí cho việc ngừng hoạt động ngoài kế hoạch để thay thế một bộ phận bị hỏng vượt quá đáng kể so với chi phí vật liệu - ống tỏa nhiệt cao cấp, các bộ phận gia nhiệt-xử lý, cuộn dây nứt ethylene và các thiết bị xử lý nhiệt{11}}có chu kỳ cacbon hóa dài là những lựa chọn phổ biến.

Các yêu cầu về chế tạo, hàn và xử lý nhiệt khác nhau như thế nào?

310S là dung dịch-được ủ trong khoảng 1.900–2.100 độ F (1.030–1.150 độ ) sau đó làm nguội nhanh, đưa cacbua trở lại dung dịch và tối đa hóa khả năng chống ăn mòn. Nếu thiết bị gia đình 310{15}}đã trải qua thời gian sử dụng kéo dài trên 1.200 độ F (650 độ ) và pha sigma đã hình thành thì độ dẻo thường có thể được khôi phục bằng cùng một chu trình ủ dung dịch; việc ủ lại sau khoảng 1.000 giờ sử dụng ở nhiệt độ trên 1.200 độ F là khoảng thời gian bảo trì thường được trích dẫn đối với thiết bị có xu hướng hình thành sigma.

Incoloy 800H và 800HT yêu cầu ủ dung dịch ở nhiệt độ tối thiểu là 2.100 độ F (1.149 độ ) - cao hơn đáng kể so với nhiệt độ ủ được sử dụng cho 310S -, đặc biệt là để tạo ra cấu trúc hạt thô hơn (thường là kích thước hạt ASTM No{9}} hoặc thô hơn) giúp cải thiện tuổi thọ đứt gãy của rão. Cả hai hợp kim đều có thể hàn được bằng quy trình hồ quang vonfram khí tiêu chuẩn và quy trình hồ quang kim loại được che chắn với kim loại điền đầy phù hợp hoặc gần{12}}khớp và cả hai đều được tạo hình nguội theo quy ước, mặc dù hợp kim dòng 800 có thể hiển thị kết cấu bề mặt đặc trưng ("vỏ cam") sau khi tạo hình nguội nặng do kích thước hạt thô hơn.

Bạn nên chỉ định hợp kim nào cho các thành phần lò nung và lò nung thông thường?

Nguồn: Hướng dẫn lựa chọn chung dựa trên các đặc tính hợp kim được ghi lại và thực hành lò/lò nung công nghiệp thông thường. Lựa chọn-thành phần cụ thể phải tính đến tính chất hóa học thực tế của khí quyển, mức áp suất, tần suất chu trình nhiệt và mã thiết kế hiện hành.

Câu hỏi thường gặp

Hỏi: 310S và Incoloy 800H có thể được sử dụng thay thế cho nhau trong cùng một lò không?

A: Nói chung là không. Chúng có tốc độ giãn nở nhiệt khác nhau và trạng thái rão khác nhau, do đó việc trộn chúng thành một cụm hàn duy nhất dưới tải có thể tạo ra ứng suất chênh lệch. Khi cả hai hợp kim xuất hiện trong cùng một lò, chúng thường được sử dụng trong các bộ phận riêng biệt, được hỗ trợ độc lập -, ví dụ: vỏ 310S với ống bên trong Incoloy 800H.

Hỏi: Incoloy 800 có giống với Incoloy 800H hay 800HT không?

Đáp: Không. Tiêu chuẩn Incoloy 800 (UNS N08800) cho phép phạm vi cacbon rộng hơn và không chứa dung dịch ủ-hạt thô, nhiệt độ-cao mang lại cho 800H (UNS N08810) và 800HT (UNS N08811) độ bền rão-vượt trội. Trong các thông số kỹ thuật của lò nung và{11}bộ gia nhiệt quy trình hiện tại, 800H và 800HT đã thay thế phần lớn tiêu chuẩn 800.

Hỏi: 310S có yêu cầu-xử lý nhiệt sau hàn không?

Đáp: Không dành cho khả năng chống ăn mòn trong hầu hết các ứng dụng của lò nung, vì 310S là loại có hàm lượng cacbon thấp-có khả năng chống lại sự nhạy cảm liên quan đến mối hàn-tốt. Nếu thiết bị sẽ thấy dịch vụ mở rộng trong phạm vi hình thành sigma-pha-, thì giải pháp ủ định kỳ - không phải là biện pháp giảm căng thẳng - là biện pháp xử lý khắc phục thích hợp chứ không phải là yêu cầu sau mối hàn-thông thường.

Hỏi: Giới hạn nhiệt độ thực tế cho dịch vụ 310S liên tục là bao nhiêu?

Đáp: Khoảng 2.000 độ F (1.093 độ ) đối với dịch vụ oxy hóa liên tục, với lưu ý rằng thiết bị hoạt động trong phạm vi 1.200–1.650 độ F (650–900 độ ) liên tục sẽ dễ bị giòn ở pha sigma theo thời gian và cần được đánh giá để ủ lại định kỳ.

Hỏi: Tại sao hàm lượng niken lại quan trọng đối với khả năng chống cacbon hóa?

Trả lời: Carbon có độ hòa tan rất thấp trong niken và khuếch tán vào niken chậm hơn so với sắt hoặc crom. Bởi vì Incoloy 800H mang khoảng 30–35% niken so với khoảng 19–22% của 310S, cacbon thâm nhập vào bề mặt của nó chậm hơn trong các điều kiện cacbon hóa giống hệt nhau, đó là lý do chính khiến 800H vượt trội hơn thép không gỉ họ 310 trong môi trường lò cacbon hóa.