310S مقابل Incoloy 800: اختيار السبائك المقاومة للحرارة - لتطبيقات الأفران والأفران

مقدمة

يواجه مهندسو الأفران والفرن والمعالجة الحرارية-نفس القرار بشأن المواد بشكل روتيني: تحديد -فولاذ مقاوم للصدأ-فعال من حيث التكلفة، أو الارتقاء إلى سبائك النيكل-الحديد-الكروم المصممة لتحمل درجات حرارة عالية-مستدامة.310S الفولاذ المقاوم للصدأوIncoloy 800 (بما في ذلك متغيرات 800H و800HT) هما المرشحان الأكثر شيوعًا لهذا القرار. كلاهما يقاوم الأكسدة عند درجة حرارة عالية، وكلاهما يتم تصنيعه ولحامه بسهولة، وكلاهما يظهر بشكل روتيني في أبواب الفرن، والكمامات، والأنابيب المشعة، وتركيبات المعالجة الحرارية.

ومع ذلك، يتباين أدائها بشكل حاد، بمجرد ظهور أجواء الكربنة، أو الحمل الميكانيكي المستمر، أو فترات الخدمة الطويلة. تقارن هذه المقالة بين السبيكتين من حيث التركيب، ودرجة الحرارة، ومقاومة الأكسدة والكربنة، وقوة التمزق-، ومتطلبات التصنيع، والتكلفة الإجمالية للملكية، بحيث يمكن للمهندسين والمشترين مطابقة السبيكة مع التطبيق بدلاً من العكس.

ما الذي يميز 310S عن Incoloy 800 من الناحية المعدنية؟

يعد اختلاف التركيب هو السبب الجذري لكل اختلاف في الأداء النهائي تمت مناقشته في هذه المقالة. 310يحتوي S على الكروم كعنصر صناعة السبائك الأساسي والنيكل كمثبت ثانوي للأوستينيت، ولهذا السبب يتم تصنيفه على أنه فولاذ مقاوم للصدأ بدلاً من سبيكة النيكل. يعكس Incoloy 800 هذه النسبة: النيكل هو أغلبية إضافة السبائك، والكروم ثانوي، ويشكل الحديد التوازن بدلاً من كونه المعدن الأساسي. إن المحتوى العالي من النيكل هو ما يمنح سبائك سلسلة 800-مقاومتها لانتشار الكربون وقوتها المحتفظ بها عند درجة الحرارة - ولكن النيكل هو أيضًا مادة خام أكثر تكلفة، ولهذا السبب تحمل منتجات سلسلة Incoloy 800 علاوة تكلفة مستمرة مقارنة بـ 310S.

المصدر: ASTM A240/A480 (310S)؛ مواصفات المطحنة ASTM B407/B408/B409 وUNS N08810 (Incoloy 800H). النطاقات هي حدود المواصفات الاسمية؛ تحقق من تقرير اختبار المطحنة الحالي.

هناك تفصيلان آخران للتكوين مهمان لخدمة الفرن. أولاً، 310S عبارة عن نسخة منخفضة الكربون-من الدرجة القياسية 310 (والتي تسمح بما يصل إلى 0.25% من الكربون)؛ يعمل الكربون المنخفض في 310S على تحسين مقاومة التحسس والتآكل الحبيبي بعد اللحام. ثانيًا، إن Incoloy 800H هو في حد ذاته عبارة عن -كربون متحكم فيه، ومتغير حجم-الحبيبات-من قاعدة Incoloy 800، كما يعمل Incoloy 800HT على زيادة تضييق نطاق الألومنيوم-بالإضافة إلى-التيتانيوم -، حيث توجد كلا التحسينات خصيصًا لزيادة قوة التمزق-للفرن وخدمة سخان المعالجة-، وهي تمت مناقشته في القسم 4.

ما هي السبائك التي تتحمل درجات حرارة التشغيل المستمرة العالية؟

يتم تصنيف 310S بشكل شائع لمقاومة الأكسدة المستمرة حتى حوالي 2000 درجة فهرنهايت (1093 درجة) وللخدمة المتقطعة أو الدورية بشكل معتدل إلى نطاق مماثل، بسبب محتواه العالي من الكروم. المحدد العملي لـ 310S في خدمة الأفران والفرن ليس مقياس الأكسيد - بل هو تكوين طور سيجما-. بعد التعرض لفترات طويلة بين 1200 درجة فهرنهايت و1650 درجة فهرنهايت تقريبًا (650-900 درجة)، يمكن أن يشكل 310-من الفولاذ المقاوم للصدأ مرحلة سيجما بين المعادن هشة تقلل من الصلابة والليونة في درجة حرارة الغرفة. المعدات التي تدور عبر نطاق درجة الحرارة هذا بشكل متكرر، مثل أبواب الفرن ومكونات الموقد، تكون أكثر عرضة لهذا التأثير من المعدات التي تعمل بشكل مستمر في الجزء العلوي من نطاق درجة الحرارة.

إنكولوي 800Hو800HT تم تصنيفهما للخدمة طويلة الأمد-حتى 2000 درجة فهرنهايت (1093 درجة )، مع إمكانية القيام برحلات قصيرة لمدة-أكثر من ذلك على حساب فقدان القوة والأكسدة بشكل متسارع. نظرًا لأن سبائك السلسلة 800- عبارة عن محلول-ملدن عند درجة حرارة لا تقل عن 2,100 درجة فهرنهايت (1,149 درجة ) لإنتاج بنية حبيبية أكثر خشونة وأكثر مقاومة للزحف-، ولأن محتواها العالي من النيكل يمنع نفس آلية طور سيجما التي تؤثر على 310S، فإنها تميل إلى الاحتفاظ بالليونة والصلابة القابلة للاستخدام عبر جزء أوسع من نطاق تشغيل الفرن، بما في ذلك من خلال التدوير الحراري المتكرر.

ما هي السبائك التي توفر مقاومة أفضل للأكسدة والكربنة؟

تأتي مقاومة الأكسدة في كلتا السبيكتين في المقام الأول من الكروم، الذي يشكل مقياس أكسيد الكروم-الوقائي عند درجة حرارة عالية. 310S يحمل في الواقع كمية من الكروم أكثر من Incoloy 800H (حوالي 25% مقابل 21%) تقريبًا، وهو أحد الأسباب التي تجعل 310S يظل صاحب أداء قوي واقتصادي في الأجواء المؤكسدة النظيفة مثل أفران الهواء، وأغطية الأفران، وأجهزة الحرق.

مقاومة الكربنة هي آلية مختلفة، وهذا هو المكان الذي تتباعد فيه السبائك بشكل حاد. يعتمد نقل الكربون إلى سطح المعدن من الغلاف الجوي الغني بالكربون- بشكل كبير على محتوى النيكل، لأن النيكل ذو قابلية منخفضة جدًا للذوبان في الكربون ويبطئ انتشاره إلى الداخل. تُظهر البيانات الميدانية الخاصة بأنابيب 800H في خدمة معالجة الكربنة الهيدروكربونية- احتفاظ السبائك بالليونة والسلامة الهيكلية بعد سنوات من التعرض، في الظروف التي يتم فيها الكربنة المنخفضة من فئة الفولاذ المقاوم للصدأ -النيكل 310- بشكل أسرع بشكل قابل للقياس. هذا هو السبب الرئيسي وراء كون Incoloy 800H المادة المستخدمة في أنابيب الانحلال الحراري للإيثيلين، ومكونات أفران تكسير الهيدروكربون، وسلال المعالجة الحرارية والتركيبات التي تشهد دورات كربنة متكررة.

توضح مقارنات معدلات التآكل- المنشورة في بيئات أفران التكرير هذه الفجوة: تم قياس سبائك Incoloy 800H/800HT عند حوالي 0.15 ملم/سنة (6.0 مليون سنة)، مقابل حوالي 0.23 ملم/سنة (8.9 مليون سنة) للفولاذ المقاوم للصدأ من عائلة 310 في ظل ظروف مماثلة. يُترجم معدل التآكل المنخفض مباشرةً إلى عمر أطول للمكونات وتقليل حالات انقطاع التيار غير المخطط لها للفحص أو الاستبدال.

كيف يمكن مقارنة قوة الزحف والإجهاد-بالتمزق عند درجة حرارة مرتفعة؟

الزحف هو تشوه المعدن البطيء-المعتمد على الوقت تحت حمل مستمر عند درجة حرارة عالية، وتصف قوة التمزق-الإجهاد مقدار الضغط الذي يمكن أن تتحمله المادة قبل أن تنكسر بعد عدد معين من ساعات الخدمة. تعتبر هذه الخاصية مهمة لأي مكون فرن يكون تحت الحمل أثناء تسخين - أنبوب مشع تحت ضغط داخلي، أو علاقة داعمة للحرارة، أو ملف في فرن الانحلال الحراري - على نحو يختلف عن المكونات التي يتم تعريضها ببساطة للحرارة بدون حمل ميكانيكي كبير، مثل بطانة أو درع.

يوفر 310S قوة تمزق متوسطة-للتمزق، ومناسبة للمكونات خفيفة التحميل. تم تطوير Incoloy 800H و800HT خصيصًا لإطالة عمر التمزق الزاحف- بما يتجاوز ما توفره عائلة الفولاذ المقاوم للصدأ 800 أو 310-من خلال محتوى الكربون الخاضع للتحكم (0.05–0.10%) ومحلول الحبوب الخشنة-التصلب عند درجة حرارة لا تقل عن 2,100 درجة فهرنهايت (1,149 درجة ). يعمل Incoloy 800HT على إحكام مواصفات الألومنيوم-و-التيتانيوم بشكل أكبر، علاوة على ذلك، للتطبيقات التي تتطلب أطول عمر خدمة عملي تحت ضغط مستمر بسبب درجات الحرارة العالية، مثل أنابيب أفران الإيثيلين وملفات الانحلال الحراري.

المصدر: تم تجميعها من بيانات مواصفات ASTM A240/B407/B409 وتم نشر -معدل التآكل بدرجة الحرارة العالية-ودراسات الخصائص الميكانيكية-لـ 310/310H وIncoloy 800H/800HT في خدمة المصافي والأفران. تحقق من التصميم المسموح به وفقًا للقسم الحالي من ASME القسم II الجزء D أو إصدار التعليمات البرمجية المعمول به قبل المواصفات النهائية.

ما هو فرق التكلفة، ومتى يتم تبرير القسط؟

يعد النيكل دائمًا أكبر محرك فردي لتسعير تكلفة السبائك الإضافية لكلتا المادتين، ولكن يحمل Incoloy 800H/HT ما يقرب من 50 بالمائة من النيكل من حيث الوزن مقارنة بـ 310S، ويتم تداول النيكل عادةً بمضاعف كبير من الكروم والحديد اللذين يشكلان معظم محتوى سبائك 310S. وهذا يجعل شراء السبائك من سلسلة 800- أكثر تكلفة على أساس كل-رطل أو لكل-قدم خطي، حتى قبل أن يتم أخذ التصنيع في الاعتبار.

إن إطار القرار الذي يتبع من المقارنة الفنية أعلاه واضح ومباشر. حدد 310S عندما يرى المكون جوًا مؤكسدًا نظيفًا، وحملًا ميكانيكيًا خفيفًا أو معدومًا، وخدمة معتدلة-توقعات العمر - تعتبر أغلفة الفرن والأبواب والمراوح ودروع المحامل غير-تحميل-من التركيبات الشائعة. حدد Incoloy 800H أو 800HT عندما يكون المكون تحت حمل مستمر عند درجة الحرارة، أو معرضًا لجو الكربنة أو الكبريتيد، أو عندما تتجاوز تكلفة إيقاف التشغيل غير المخطط له لاستبدال مكون فاشل إلى حد كبير تكلفة المواد الإضافية - الأنابيب المشعة، ومعالجة-مكونات السخان، وملفات تكسير الإيثيلين، وتركيبات المعالجة الحرارية-ذات دورات الكربنة الطويلة، وهي تركيبات شائعة.

كيف تختلف متطلبات التصنيع واللحام والمعالجة الحرارية؟

310S عبارة عن محلول-مصلب في نطاق 1,900-2,100 درجة فهرنهايت (1,030-1,150 درجة ) يتبعه تبريد سريع، مما يعيد الكربيدات مرة أخرى إلى المحلول ويزيد من مقاومة التآكل. إذا شهدت المعدات العائلية 310-خدمة ممتدة أعلى من 1200 درجة فهرنهايت (650 درجة ) وتشكلت مرحلة سيجما، فيمكن استعادة الليونة بشكل عام باستخدام نفس الحل-دورة التلدين؛ إن إعادة التلدين بعد كل 1000 ساعة تقريبًا من الخدمة التي تزيد عن 1200 درجة فهرنهايت هي فترة صيانة يتم الاستشهاد بها بشكل شائع للمعدات المعرضة لتكوين سيجما.

يتطلب Incoloy 800H و800HT محلول يصلب عند درجة حرارة لا تقل عن 2,100 درجة فهرنهايت (1,149 درجة ) - أعلى بشكل ملحوظ من التلدين المستخدم في 310S - خصيصًا لإنتاج بنية حبيبية خشنة (عادةً ASTM حجم الحبوب رقم. 5 أو أكثر خشونة) مما يعمل على تحسين عمر التمزق-. كلا السبيكتين قابلتان للحام من خلال قوس التنغستن الغازي القياسي وعمليات القوس المعدني المحمي بمعدن حشو مطابق أو قريب من-مطابق، وكلاهما يتم تشكيلهما على البارد تقليديًا-، على الرغم من أن سبائك السلسلة 800 يمكن أن تعرض نسيجًا سطحيًا مميزًا ("قشر البرتقال") بعد التشكيل البارد الشديد نظرًا لحجم حبيباتها الخشن.

ما هي السبيكة التي يجب عليك تحديدها للأفران المشتركة ومكونات الفرن؟

المصدر: إرشادات الاختيار العامة بناءً على خصائص السبائك الموثقة والممارسات الشائعة للأفران/الأفران الصناعية. يجب أن يأخذ التحديد المحدد للمكونات- في الاعتبار كيمياء الغلاف الجوي الفعلية، ومعدل الضغط، وتردد التدوير الحراري، وكود التصميم المطبق.

الأسئلة المتداولة

س: هل يمكن استخدام 310S وIncoloy 800H بالتبادل في نفس الفرن؟

ج: ليس بشكل عام. لديهم معدلات تمدد حراري مختلفة وسلوك زحف مختلف، لذا فإن مزجها في مجموعة ملحومة واحدة تحت الحمل يمكن أن يخلق إجهادًا تفاضليًا. عندما تظهر كلتا السبيكتين في نفس الفرن، يتم استخدامهما عادةً في مكونات منفصلة ومدعومة بشكل مستقل - على سبيل المثال، غلاف 310S مع أنابيب Incoloy 800H الداخلية.

س: هل Incoloy 800 هو نفسه Incoloy 800H أو 800HT؟

ج: لا، إن Incoloy 800 القياسي (UNS N08800) يسمح بنطاق كربون أوسع ولا يحمل الحبوب الخشنة-المحلول عالي الحرارة-الذي يمنح 800H (UNS N08810) و800HT (UNS N08811) قوة التمزق الفائقة-. في مواصفات سخانات الفرن والعمليات{11}}الحالية، حلت 800H و800HT محل المعيار 800 إلى حد كبير.

س: هل يتطلب الموديل 310S معالجة حرارية ما بعد اللحام؟

ج: ليس مخصصًا لمقاومة التآكل في معظم تطبيقات الأفران، نظرًا لأن 310S عبارة عن درجة كربون منخفضة- مع مقاومة جيدة للحساسية المرتبطة باللحام. إذا كانت المعدات ستشهد خدمة ممتدة في نطاق تشكيل سيجما-المرحلة-، فإن الحل الدوري يصلب - وليس تخفيف الضغط - هو العلاج التصحيحي المناسب، وليس متطلبات اللحام الروتينية بعد -.

س: ما هو الحد العملي لدرجة الحرارة لخدمة 310S المستمرة؟

ج: ما يقرب من 2000 درجة فهرنهايت (1093 درجة ) لخدمة الأكسدة المستمرة، مع التحذير من أن المعدات التي تدور خلال نطاق 1200-1650 درجة فهرنهايت (650-900 درجة ) بشكل متكرر تتعرض لتقصف الطور سيجما- بمرور الوقت ويجب تقييمها لإعادة التلدين الدوري-.

س: لماذا يعتبر محتوى النيكل مهمًا جدًا لمقاومة الكربنة؟

ج: إن ذوبان الكربون في النيكل منخفض جدًا وينتشر فيه بشكل أبطأ من الحديد أو الكروم. نظرًا لأن Incoloy 800H يحمل ما يقرب من 30-35% من النيكل مقابل حوالي 19-22% لـ 310S، فإن الكربون يخترق سطحه بشكل أبطأ في ظل ظروف كربنة مماثلة، وهذا هو السبب الرئيسي وراء تفوق 800H على الفولاذ المقاوم للصدأ من عائلة 310 في أجواء أفران الكربنة.