310S กับ Incoloy 800: การเลือกโลหะผสมทนความร้อน-สำหรับการใช้งานในเตาและเตาเผา

การแนะนำ

วิศวกรด้านเตาเผา เตาเผา และ-ด้านความร้อนต้องเผชิญกับการตัดสินใจเลือกวัสดุแบบเดียวกันเป็นประจำ: ระบุสแตนเลสทนความร้อน-ที่คุ้มค่า- หรือก้าวไปสู่โลหะผสมนิกเกิล-เหล็ก-โครเมียมที่สร้างขึ้นเพื่อให้มีความแข็งแกร่งที่อุณหภูมิสูง-อย่างยั่งยืนสแตนเลส 310Sและ Incoloy 800 (รวมถึงรุ่น 800H และ 800HT) เป็นตัวเลือกสองตัวที่ได้รับการเปรียบเทียบกันมากที่สุดสำหรับการตัดสินใจครั้งนี้ ทั้งสองชนิดต้านทานการเกิดออกซิเดชันที่อุณหภูมิสูง ทั้งสองชนิดถูกประดิษฐ์และเชื่อมได้ง่าย และทั้งสองชนิดนี้ปรากฏอยู่เป็นประจำในประตูเตาเผา ท่อครอบ ท่อส่งรังสี และอุปกรณ์-บำบัดความร้อน

ประสิทธิภาพการทำงานจะแตกต่างออกไปอย่างมาก แต่เมื่อบรรยากาศที่ทำให้เกิดคาร์บูไรซิ่ง โหลดทางกลที่ยั่งยืน หรือรอบการบริการที่ยาวนานเข้ามาในภาพ บทความนี้จะเปรียบเทียบโลหะผสมทั้งสองในด้านองค์ประกอบ ความสามารถด้านอุณหภูมิ ความต้านทานต่อออกซิเดชันและคาร์บูไรเซชัน -ความแข็งแรงของการแตกร้าว การคืบ ข้อกำหนดในการผลิต และต้นทุนรวมในการเป็นเจ้าของ เพื่อให้วิศวกรและผู้ซื้อสามารถจับคู่โลหะผสมกับการใช้งาน แทนที่จะเปรียบเทียบด้วยวิธีอื่น

อะไรคือสิ่งที่ทำให้ 310S แตกต่างจาก Incoloy 800 ในเชิงโลหะวิทยา

ความแตกต่างขององค์ประกอบคือต้นตอของความแตกต่างด้านประสิทธิภาพขั้นปลายทุกประการที่กล่าวถึงในบทความนี้. 310S มีโครเมียมเป็นองค์ประกอบโลหะผสมหลัก และนิกเกิลเป็นสารเพิ่มความคงตัวออสเทนไนต์รอง ซึ่งเป็นสาเหตุที่จัดประเภทเป็นเหล็กกล้าไร้สนิมแทนที่จะเป็นโลหะผสมนิกเกิล Incoloy 800 จะกลับอัตราส่วนดังกล่าว: นิกเกิลเป็นส่วนเติมอัลลอยด์ส่วนใหญ่ โครเมียมเป็นส่วนรอง และเหล็กเป็นตัวสร้างความสมดุลแทนที่จะเป็นโลหะฐาน ปริมาณนิกเกิลที่สูงกว่าคือสิ่งที่ทำให้อัลลอยด์ซีรีส์ 800- มีความต้านทานต่อการแพร่ของคาร์บอนและความแข็งแรงคงตัวของพวกมันที่อุณหภูมิ - แต่นิกเกิลก็เป็นวัตถุดิบที่มีราคาแพงกว่าเช่นกัน ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมผลิตภัณฑ์ซีรีส์ Incoloy 800 จึงมีต้นทุนพรีเมียมคงที่มากกว่า 310S

ที่มา: ASTM A240/A480 (310S); ข้อมูลจำเพาะของโรงสี ASTM B407/B408/B409 และ UNS N08810 (Incoloy 800H) ช่วงเป็นขีดจำกัดข้อกำหนดที่ระบุ ตรวจสอบกับรายงานการทดสอบโรงงานปัจจุบัน

รายละเอียดองค์ประกอบอีกสองประการมีความสำคัญต่อการให้บริการเตาเผา ประการแรก 310S เป็นรูปแบบคาร์บอนต่ำ-ของเกรดมาตรฐาน 310 (ซึ่งปล่อยคาร์บอนได้ถึง 0.25%) คาร์บอนที่ต่ำกว่าใน 310S ช่วยเพิ่มความต้านทานต่ออาการแพ้และการกัดกร่อนตามขอบเกรนหลังการเชื่อม ประการที่สอง Incoloy 800H นั้นเป็นตัวแปรขนาด-คาร์บอนที่มีการควบคุม-เกรน-ของฐาน Incoloy 800 และ Incoloy 800HT ยังทำให้อลูมิเนียม-บวก-ช่วงไทเทเนียม - แน่นยิ่งขึ้น การปรับแต่งทั้งสองมีขึ้นโดยเฉพาะเพื่อเพิ่ม-ความต้านทานการแตกของคืบสำหรับเตาเผาและกระบวนการ{-บริการเครื่องทำความร้อน ซึ่งก็คือ กล่าวถึงในมาตรา 4

โลหะผสมชนิดใดที่ทนทานต่ออุณหภูมิการทำงานต่อเนื่องที่สูงขึ้น

โดยทั่วไปแล้ว 310S ได้รับการจัดอันดับสำหรับความต้านทานการเกิดออกซิเดชันอย่างต่อเนื่องสูงถึงประมาณ 2,000 องศา F (1,093 องศา ) และสำหรับการให้บริการเป็นช่วง ๆ หรือเป็นรอบเล็กน้อยในช่วงที่ใกล้เคียงกัน เนื่องจากมีปริมาณโครเมียมสูง ตัวจำกัดการใช้งานจริงสำหรับ 310S ในเตาเผาและเตาเผาไม่ใช่ระดับออกไซด์ - แต่เป็นการสร้างเฟสซิกมา- หลังจากการสัมผัสกับอุณหภูมิประมาณ 1,200 องศา F ถึง 1,650 องศา F (650–900 องศา ) เป็นเวลานาน เหล็กกล้าไร้สนิมในตระกูล 310-จะเกิดเฟสซิกมาระหว่างโลหะที่เปราะ ซึ่งจะช่วยลดความเหนียวและความเหนียวของอุณหภูมิห้อง อุปกรณ์ที่วนผ่านแถบอุณหภูมินี้ซ้ำๆ เช่น ประตูเตาเผาและส่วนประกอบหัวเผา จะได้รับผลกระทบจากผลกระทบนี้มากกว่าอุปกรณ์ที่ทำงานอย่างต่อเนื่องที่ช่วงอุณหภูมิด้านบนสุด

อินคอลอยย์ 800Hและ 800HT ได้รับการจัดอันดับสำหรับการบริการระยะยาว-สูงถึงประมาณ 2,000 องศา F (1,093 องศา ) โดยมี-การเบี่ยงเบนในระยะเวลาสั้น ๆ ที่เป็นไปได้มากกว่านั้น โดยต้องเสียค่าใช้จ่ายในการสูญเสียความแรงแบบเร่งและออกซิเดชัน เนื่องจากโลหะผสมซีรีส์ 800- ได้รับการอบอ่อน-ที่อุณหภูมิขั้นต่ำ 2,100 องศา F (1,149 องศา ) เพื่อสร้างโครงสร้างเกรนที่ทนทานต่อการคืบและหยาบกว่า- และเนื่องจากปริมาณนิกเกิลที่สูงกว่าจะยับยั้งกลไกซิกมาเฟสแบบเดียวกับที่ส่งผลต่อ 310S จึงมีแนวโน้มที่จะรักษาความเหนียวและความเหนียวที่ใช้งานได้ตลอดช่วงการทำงานของเตาเผาที่กว้างกว่า รวมถึงผ่านการให้ความร้อนซ้ำๆ ปั่นจักรยาน

โลหะผสมชนิดใดที่ให้ความต้านทานต่อบรรยากาศออกซิไดซ์และคาร์บูไรซิ่งได้ดีกว่า

ความต้านทานต่อการเกิดออกซิเดชันในโลหะผสมทั้งสองส่วนใหญ่มาจากโครเมียม ซึ่งก่อตัวเป็นโครเมียมป้องกัน-สเกลออกไซด์ที่อุณหภูมิสูง. 310จริงๆ แล้ว S มีโครเมียมมากกว่า Incoloy 800H (ประมาณ 25% เทียบกับประมาณ 21%) ซึ่งเป็นเหตุผลหนึ่งที่ 310S ยังคงเป็นนักแสดงที่แข็งแกร่งและประหยัดในบรรยากาศออกซิไดซ์ที่สะอาด เช่น เตาเผาอากาศ เปลือกเตาเผา และฮาร์ดแวร์ของหัวเผา

การต้านทานการเกิดคาร์บูไรเซชันเป็นกลไกที่แตกต่างกัน และนี่คือจุดที่โลหะผสมทั้งสองมีความแตกต่างกันอย่างรวดเร็วที่สุด การถ่ายโอนคาร์บอนสู่พื้นผิวโลหะจากบรรยากาศที่มีคาร์บอน-อุดมสมบูรณ์นั้นขึ้นอยู่กับปริมาณนิกเกิลเป็นอย่างมาก เนื่องจากนิกเกิลมีความสามารถในการละลายคาร์บอนได้ต่ำมากและทำให้การแพร่กระจายภายในช้าลง ข้อมูลภาคสนามเกี่ยวกับท่อ 800H ในบริการแปรรูปคาร์บูไรซิ่งไฮโดรคาร์บอน-แสดงให้เห็นว่าโลหะผสมยังคงความเหนียวและความสมบูรณ์ของโครงสร้างหลังจากการสัมผัสนานหลายปี ในสภาวะที่เหล็กกล้าไร้สนิมในตระกูล-นิกเกิล 310- ต่ำกว่าสามารถคาร์บูไรเซชันได้เร็วยิ่งขึ้น นี่คือเหตุผลหลักที่ Incoloy 800H เป็นวัสดุที่ใช้สำหรับท่อเอทิลีนไพโรไลซิส ส่วนประกอบเตาแคร็กไฮโดรคาร์บอน และตะกร้าและส่วนยึดที่ใช้ความร้อนซึ่งมีวงจรคาร์บูไรซิ่งซ้ำๆ

การเปรียบเทียบอัตราการกัดกร่อน-ที่เผยแพร่ในสภาพแวดล้อมของเตาเผาโรงกลั่นแสดงให้เห็นช่องว่าง: โลหะผสม Incoloy 800H/800HT ได้รับการตรวจวัดที่ประมาณ 0.15 มม./ปี (6.0 mpy) เทียบกับประมาณ 0.23 มม./ปี (8.9 mpy) สำหรับเหล็กกล้าไร้สนิมตระกูล 310 ภายใต้สภาวะที่เทียบเคียงได้ อัตราการกัดกร่อนที่ลดลงส่งผลให้อายุการใช้งานของส่วนประกอบยาวนานขึ้นโดยตรง และลดการหยุดทำงานโดยไม่ได้วางแผนสำหรับการตรวจสอบหรือเปลี่ยนใหม่

การคืบคลานและความเครียด-มีความแรงของการแตกร้าวเมื่อเปรียบเทียบกับอุณหภูมิที่สูงขึ้นอย่างไร

การคืบคือการเสียรูปของโลหะที่ช้าและขึ้นอยู่กับเวลา-ภายใต้ภาระที่ต่อเนื่องที่อุณหภูมิสูง และแรงเค้น-ความแรงของการแตกร้าวจะอธิบายว่าวัสดุสามารถรับแรงเค้นได้มากเพียงใดก่อนที่วัสดุจะแตกหักหลังจากผ่านไปตามจำนวนชั่วโมงให้บริการที่กำหนด คุณสมบัตินี้มีความสำคัญสำหรับส่วนประกอบของเตาเผาใดๆ ที่อยู่ภายใต้ภาระขณะร้อน - ท่อแผ่รังสีภายใต้ความดันภายใน ไม้แขวนที่รองรับวัสดุทนไฟ หรือคอยล์ในเตาไพโรไลซิส - ซึ่งแตกต่างไปจากส่วนประกอบที่เพียงแค่สัมผัสกับความร้อนโดยไม่มีภาระทางกลที่มีนัยสำคัญ เช่น ผ้าซับในหรือแผ่นป้องกัน

310S มีความแข็งแรงในการแตกร้าวปานกลาง- ซึ่งเพียงพอสำหรับส่วนประกอบที่รับน้ำหนักน้อย Incoloy 800H และ 800HT ได้รับการพัฒนาโดยเฉพาะเพื่อยืดอายุการคืบ-การแตกร้าวให้เกินกว่าที่สเตนเลสในตระกูล 800 หรือ 310- มาตรฐานมอบให้ โดยผ่านปริมาณคาร์บอนที่ได้รับการควบคุม (0.05–0.10%) และการอบอ่อน-สารละลายเกรนหยาบที่อุณหภูมิขั้นต่ำ 2,100 องศา F (1,149 องศา ) Incoloy 800HT ช่วยกระชับข้อกำหนดอะลูมิเนียม-และ-ไทเทเนียมให้แน่นยิ่งขึ้น สำหรับการใช้งานที่ต้องการอายุการใช้งานที่ยาวนานที่สุดภายใต้ความเครียดที่อุณหภูมิสูงอย่างต่อเนื่อง เช่น ท่อเตาเผาเอทิลีนและคอยล์ไพโรไลซิส

แหล่งที่มา: รวบรวมจากข้อมูลข้อกำหนด ASTM A240/B407/B409 และเผยแพร่-อัตราการกัดกร่อนที่อุณหภูมิสูง-และการศึกษาสมบัติเชิงกล-สำหรับ 310/310H และ Incoloy 800H/800HT ในบริการโรงกลั่นและเตาเผา ตรวจสอบการออกแบบที่อนุญาตกับ ASME ส่วนที่ II ส่วน D ในปัจจุบันหรือรุ่นรหัสที่เกี่ยวข้องก่อนข้อกำหนดขั้นสุดท้าย

ความแตกต่างของต้นทุนคืออะไร และเมื่อใดที่เบี้ยประกันจะสมเหตุสมผล?

นิกเกิลเป็นตัวขับเคลื่อนการคิดค่าบริการโลหะผสมที่ใหญ่ที่สุดอย่างต่อเนื่องสำหรับวัสดุทั้งสองชนิด แต่ Incoloy 800H/HT มีนิกเกิลมากกว่า 310S ประมาณ 50 เปอร์เซ็นต์โดยน้ำหนัก และโดยปกติแล้วนิกเกิลจะมีการแลกเปลี่ยนโครเมียมและเหล็กซึ่งประกอบเป็นส่วนประกอบของโลหะผสมของ 310S ส่วนใหญ่ ซึ่งทำให้ซีรีส์ 800- มีราคาโลหะผสมที่แพงกว่าเมื่อซื้อโดยคิดราคาต่อ-ปอนด์หรือต่อ-แบบลิเนียร์ฟุต ก่อนที่จะพิจารณาถึงการแปรรูปด้วยซ้ำ

กรอบการตัดสินใจที่ตามมาจากการเปรียบเทียบทางเทคนิคข้างต้นนั้นตรงไปตรงมา ระบุ 310S เมื่อส่วนประกอบเห็นบรรยากาศออกซิไดซ์ที่สะอาด มีน้ำหนักเบาหรือไม่มีภาระทางกล และ-ความคาดหวังอายุการใช้งาน - อายุการใช้งานปานกลาง - เปลือกเตา ประตู พัดลม และเกราะป้องกัน-รับน้ำหนัก- เป็นเรื่องปกติ ระบุ Incoloy 800H หรือ 800HT เมื่อส่วนประกอบอยู่ภายใต้ภาระที่ต่อเนื่องที่อุณหภูมิ สัมผัสกับบรรยากาศที่เป็นคาร์บูไรซิ่งหรือซัลฟิไดซ์ หรือเมื่อต้นทุนของการปิดระบบโดยไม่ได้วางแผนเพื่อเปลี่ยนส่วนประกอบที่ล้มเหลวนั้นเกินกว่าต้นทุนวัสดุพรีเมียม - ท่อกระจายรังสี -ส่วนประกอบเครื่องทำความร้อน คอยล์แตกเอทิลีน และ-อุปกรณ์บำบัดความร้อนที่มีวงจรคาร์บูไรซิ่งนานเป็นเรื่องปกติ

ข้อกำหนดในการแปรรูป การเชื่อม และการบำบัดความร้อนแตกต่างกันอย่างไร

310S เป็นสารละลาย-ที่ผ่านการอบอ่อนในช่วง 1,900–2,100 องศา F (1,030–1,150 องศา ) ตามด้วยการทำความเย็นอย่างรวดเร็ว ซึ่งจะทำให้คาร์ไบด์กลับเข้าสู่สารละลายและเพิ่มความต้านทานการกัดกร่อนได้สูงสุด หากอุปกรณ์สำหรับครอบครัว 310- ได้รับการบริการเพิ่มเติมเหนือ 1,200 องศา F (650 องศา ) และเฟสซิกม่าได้ก่อตัวขึ้น โดยทั่วไปแล้ว ความเหนียวสามารถกลับคืนมาได้ด้วยวิธีแก้ไขปัญหา-รอบการอบอ่อนแบบเดียวกัน การอบอ่อนใหม่ทุกๆ 1,000 ชั่วโมงโดยประมาณของการให้บริการที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 1,200 องศาฟาเรนไฮต์ เป็นช่วงเวลาการบำรุงรักษาที่อ้างถึงโดยทั่วไปสำหรับอุปกรณ์ที่มีแนวโน้มที่จะเกิดซิกมา

Incoloy 800H และ 800HT ต้องการสารละลายอบอ่อนที่อุณหภูมิอย่างน้อย 2,100 องศา F (1,149 องศา ) - ซึ่งสูงกว่าการอบอ่อนที่ใช้สำหรับ 310S - อย่างเห็นได้ชัด เพื่อสร้างโครงสร้างเกรนที่หยาบกว่า (โดยทั่วไปคือขนาดเกรน ASTM No. 5 หรือหยาบกว่า) ที่ช่วยปรับปรุง-อายุการแตกร้าวของคืบ โลหะผสมทั้งสองสามารถเชื่อมได้ด้วยอาร์กทังสเตนแก๊สมาตรฐานและกระบวนการอาร์กโลหะที่มีฉนวนหุ้มด้วยโลหะตัวเติมที่เข้ากันหรือใกล้เคียง- และทั้งสองชนิดนั้นขึ้นรูปเย็นตามธรรมเนียม- แม้ว่าโลหะผสมซีรีส์ 800 จะแสดงพื้นผิวที่มีลักษณะเฉพาะ ("เปลือกส้ม") หลังจากการขึ้นรูปเย็นอย่างหนักเนื่องจากขนาดเกรนที่หยาบกว่า

คุณควรระบุโลหะผสมชนิดใดสำหรับส่วนประกอบเตาและเตาเผาทั่วไป

ที่มา: คำแนะนำในการเลือกทั่วไปโดยพิจารณาจากคุณสมบัติของโลหะผสมที่บันทึกไว้และแนวทางปฏิบัติทั่วไปของเตาเผา/เตาเผาอุตสาหกรรม การเลือกเฉพาะส่วนประกอบ-ควรพิจารณาถึงเคมีในบรรยากาศจริง อัตราความดัน ความถี่ในการหมุนเวียนของความร้อน และรหัสการออกแบบที่เกี่ยวข้อง

คำถามที่พบบ่อย

ถาม: 310S และ Incoloy 800H สามารถใช้สลับกันในเตาเผาเดียวกันได้หรือไม่

ตอบ: ไม่ใช่โดยทั่วไป มีอัตราการขยายตัวเนื่องจากความร้อนที่แตกต่างกันและพฤติกรรมการคืบที่แตกต่างกัน ดังนั้นการผสมพวกมันในการประกอบแบบเชื่อมเดี่ยวภายใต้โหลดสามารถสร้างความเครียดที่แตกต่างกันได้ เมื่อโลหะผสมทั้งสองปรากฏในเตาเผาเดียวกัน โดยทั่วไปจะใช้ในส่วนประกอบที่แยกกันและรองรับอย่างเป็นอิสระ - ตัวอย่างเช่น เปลือก 310S ที่มีท่อภายใน Incoloy 800H

ถาม: Incoloy 800 เหมือนกับ Incoloy 800H หรือ 800HT หรือไม่

ตอบ: ไม่ Standard Incoloy 800 (UNS N08800) ช่วยให้มีช่วงคาร์บอนที่กว้างขึ้น และไม่นำพาสารละลาย-เกรนหยาบ อุณหภูมิสูง- ที่ผ่านการอบอ่อนที่ให้ 800H (UNS N08810) และ 800HT (UNS N08811) การเคลื่อนตัวของสารละลายที่เหนือกว่า- ในข้อกำหนดเฉพาะของเครื่องทำความร้อนสำหรับเตาเผาและกระบวนการ-ในปัจจุบัน 800H และ 800HT ได้เข้ามาแทนที่มาตรฐาน 800 ไปมาก

ถาม: 310S จำเป็นต้องมีการบำบัดความร้อนหลังการเชื่อม-หรือไม่

ตอบ: ไม่เหมาะสำหรับความต้านทานการกัดกร่อนในการใช้งานเตาเผาส่วนใหญ่ เนื่องจาก 310S เป็นเกรดคาร์บอนต่ำ-และมีความต้านทานต่อปฏิกิริยาไวต่อการเชื่อม-ได้ดี หากอุปกรณ์เห็นการบริการเพิ่มเติมในช่วง-ระยะ-การขึ้นรูปซิกมา การอบอ่อนของสารละลายเป็นระยะ - ไม่ใช่การบรรเทาความเครียด - ถือเป็นการบำบัดแก้ไขที่เหมาะสม ไม่ใช่ข้อกำหนด-หลังการเชื่อมตามปกติ

ถาม: ขีดจำกัดอุณหภูมิในทางปฏิบัติสำหรับบริการ 310S ต่อเนื่องคือเท่าใด

ตอบ: ประมาณ 2,000 องศา F (1,093 องศา ) สำหรับการให้บริการออกซิไดซ์อย่างต่อเนื่อง โดยมีข้อแม้ว่าอุปกรณ์ที่หมุนเวียนผ่านช่วง 1,200–1,650 องศา F (650–900 องศา ) ซ้ำๆ จะเกิดการเกิดการเปราะของเฟสซิกมา-เมื่อเวลาผ่านไป และควรได้รับการประเมินสำหรับการอบอ่อนใหม่เป็นระยะๆ

ถาม: เหตุใดปริมาณนิกเกิลจึงมีความสำคัญอย่างมากต่อการต้านทานการเกิดคาร์บูไรเซชัน

ตอบ: คาร์บอนมีความสามารถในการละลายในนิกเกิลต่ำมากและกระจายเข้าไปได้ช้ากว่าธาตุเหล็กหรือโครเมียม เนื่องจาก Incoloy 800H มีนิกเกิลประมาณ 30–35% เทียบกับประมาณ 19–22% สำหรับ 310S คาร์บอนจึงแทรกซึมพื้นผิวได้ช้ากว่าภายใต้สภาวะคาร์บูไรซิ่งที่เหมือนกัน ซึ่งเป็นเหตุผลหลักที่ 800H มีประสิทธิภาพเหนือกว่าเหล็กกล้าไร้สนิมตระกูล 310 ในบรรยากาศของเตาหลอมคาร์บูไรซิ่ง