Zakaj odstotek vsebnosti silicija v cevi grelnega plašča iz nerjavečega jekla 316 pod 0,4 % zmanjša odpornost proti oksidaciji pri 650 stopinjah v zračnem prometu

Manjši legirni element z velikim vplivom na oprijem vodnega kamna pri visokih temperaturah

Pri električnih grelnih ceveh, ovitih v nerjaveče jeklo 316 in delujočih pri visoki temperaturi (650 stopinj) v zračnem prometu, je vsebnost silicija (običajno določena kot največ 0,75 % po standardu ASTM A240) pomemben, a pogosto zanemarjen dejavnik odpornosti proti oksidaciji. Raven silicija, nižja od 0,4 %, proizvaja hitro razvijajoč se železo-oksidni kamen, ki se hitro razcepi in skrajša življenjsko dobo plašča 3-5-krat v primerjavi z materialom, ki vsebuje 0,6–1,0 % silicija. Silicij olajša izdelavo tanke neprekinjene prevleke iz amorfnega ali nanokristalnega silicijevega dioksida (SiO2) na stiku vodnega kamna in kovine. Ta plast silicijevega dioksida deluje kot difuzijska pregrada, ki zavira difuzijo kationov železa in kroma navzven ter difuzijo anionov kisika navznoter. Ta prispevek predstavlja kvantifikacijo razmerja med koncentracijo silicija, kinetiko oksidacije in luščenjem vodnega kamna za 316 ovojov pri 650 stopinjah. To določa okvir specifikacij za uporabo visokotemperaturnih grelnikov zraka.

Vloga silicija pri tvorbi podlestvice silicijevega dioksida

Med visokotemperaturno oksidacijo nerjavečega jekla 316 krom in železo difundirata navzven, da ustvarita zunanjo lestvico Cr2O3/Fe2O3, kisik pa difundira navznoter. Pri vsebnosti silicija nad ~ 0,4-0,5 % silicij oksidira prednostno na stiku vodnega kamna in kovine, da ustvari tanko (0,1–1,0 µm) neprekinjeno plast amorfnega silicijevega dioksida. Ta prevleka iz silicijevega dioksida ima dve obrambni lastnosti. Prvič, difuzijski koeficient kroma v SiO2 je približno tri velikostne rede manjši od tistega v Cr2O3, kar drastično zmanjša stopnjo oksidacije. 2. Silicijev dioksid poveča mehanski oprijem zunanje lestvice z ustvarjanjem plasti "lepila", ki absorbira neusklajenost toplotnega raztezanja. V primeru silicija pod 0,4 % je plast silicijevega dioksida prekinjena ali manjka, zunanja lestvica pa se hitro dvigne zaradi neposredne kationske difuzije skozi Cr2O3 .. Oblikovana lestvica je bolj porozna, debelejša in se zaradi toplotnega cikla zlahka zlomi.

Vpliv vsebnosti Si na oksidacijsko obnašanje pri 650 stopinjah: kvantitativno razmerje

Preskušanje nadzorovane ciklične oksidacije (1-urni cikli pri 650 stopinjah na zraku, prisilno zračno hlajenje na 100 stopinj med cikli) na 316 cevi z različno vsebnostjo silicija je določilo jasne meje učinkovitosti.

Vsebnost silicija (mas. %) Vsebnost kroma (mas. %). Neprekinjena plast silicijevega dioksida? Hitrost oksidacije (mg/cm²/uro) po 500 ciklih Začetek lomljenja vodnega kamna (cikli do prvega vidnega loka) Izguba kovine po 5.000 ciklih (µm) Priporočljivo za zračni servis pri 650 stopinjah<0.2 >16 Ne (odsoten) 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 Neprekinjeno (0,2-0,5 µm) 0.03-0.06 1,000-2,500 30-60 Priporočeno
0.6-0.8 17-19 Neprekinjeno, enakomerno (0,5-1,0 µm) 0.02-0.04 2,500-5,000 20-40Najboljše za vzdržljivost
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
Interakcija silicija in molibdena pri oksidaciji

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 %) neprekinjena subskala silicijevega dioksida preprečuje, da bi molibden dosegel zunanjo površino, in zavira izhlapevanje MoO{sub 3}. Izhlapevanje molibdena je povečano pri ravneh silicija pod 0,4 %, kar ima za posledico hitrejšo razgradnjo vodnega kamna in hitrejšo oksidacijo. Za ovoje 316 za delovanje nad 600 stopinj je treba vsebnost silicija določiti na višji strani območja ASTM (0,6–1,0 %), da se izravna škodljivi učinek molibdena.

Opredelitev vsebnosti silicija za visokotemperaturne grelnike

Na podlagi ocenjene življenjske dobe in frekvence termičnega cikla so za 316 oplaščene grelnike, ki delujejo pri 650 stopinjah v zraku ali oksidativnih zgorevalnih plinih, priporočene naslednje zahteve za silicij:

Delovni pogoji Temperatura plašča (stopinja) Toplotni cikli na dan Najmanjša vsebnost silicija (masni %) Priporočeno območje silicija (masni %) Alternativna zlitina, če potreb po siliciju ni mogoče zadovoljiti
Tecite neprekinjeno, občasno ciklirajte 600-650<1 0.50 0.60-0.80 310 stainless steel
Občasno blago nihanje 600-650 1-10 0.60 0.70-1.00 310 ss ali Inconel 600
Frequent cycling (>10/day) 550-600 >10 0.60 0.70-1.00 Inconel 600
Stalna storitev 650-700<1 >0,70 (316 ni priporočljivo) 0.80-1.00 310 ali Inconel je potreben
550-650 Kateri koli 0.70 0.80-1.00 Inconel 600 priporočen Vsak servis, kjer je v ozračju prisotno žveplo Preverjanje vsebnosti silicija in oksidacijske učinkovitosti

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 dokazuje, da silicij zadostuje. Največje zaupanje, ko so zahtevana vsa tri preverjanja. Za pomembne aplikacije.

Terenska diagnoza razgradnje nizke oksidacije silicija

For 316 sheaths that have failed in 600-650°C air service, suspect low silicon content if the scale is thick (>200 µm), brez-sprijemanja (razpade na dotik) in rdečkasto-rjave (Fe2O3) namesto zelenkasto-črne (Cr2O3). Če je bila osnovna kovina neustrezna, elektronska mikroskopija ali EDS preiskava površinskega sloja-kovine ne bo pokazala silicija ali pa bo vsebnost silicija nižja od 0,2 %. Okvarjeni ovoj bo pokazal izgubo kovine od 200 do 500 µm (močno hrapavost in stanjšanje) v primerjavi z 20 do 50 µm pri materialu z ustreznim silicijem. Način okvare je naraščajoče tanjšanje stene z lomljenjem in morebitnim vzdolžnim razpokom, ko preostala stena ne more več vzdržati notranjega pritiska.

Zaključek: kritični visokotemperaturni parameter silicija

Odpornost proti oksidaciji grelnikov, ovitih iz nerjavečega jekla 316, v zračnem servisu pri 650 stopinjah je neposredno nadzorovana z vsebnostjo silicija parametra legiranja. Z vsebnostjo silicija pod 0,4 % je oksidacija hitra in neza-zaščitna, vodni kamen pa se lomi tako, da se življenjska doba grelnika skrajša z 20.000 h na 3.000–5.000 h. 0.6-1.0 % silicija se doda za ustvarjanje neprekinjenega silicijevega dioksida, ki zadržuje oksidacijo za dva reda velikosti in preprečuje lomljenje. Vsaka aplikacija, kjer temperatura plašča preseže 550 stopinj, bo zahtevala najmanjšo koncentracijo silicija 0,50 % in priporočamo 0,60–0,80 % za največjo učinkovitost. Za neprekinjeno uporabo pri 650 stopinjah ali nad katero koli storitev nad 700 stopinjami je bolje nadgraditi na nerjaveče jeklo 310 ali Inconel 600, namesto da bi bili odvisni od 316, tudi z visoko vsebnostjo silicija. S korelacijo odstotka silicija z merljivimi stopnjami oksidacije in začetkom lomljenja tukaj predlagani pristop omogoča kupcem, da določijo 316 ovojov, ki ohranjajo celovitost zaščitnega kamna pri povišanih temperaturah.