310S vs Incoloy 800: selecció d'aliatges resistents a la calor-per a aplicacions de forn i forn

Introducció

Els enginyers de-processament tèrmic i de forns, forns i processaments tèrmics s'enfronten habitualment a la mateixa decisió de material: especificar un acer inoxidable resistent a la calor-eficaç en cost-, o passar a un aliatge de níquel-ferro{-crom construït per mantenir una resistència a alta-temperatura.Acer inoxidable 310Si Incoloy 800 (incloses les variants 800H i 800HT) són els dos candidats més comparats per a aquesta decisió. Tots dos resisteixen l'oxidació a alta temperatura, tots dos es fabriquen i es solden fàcilment, i tots dos apareixen habitualment a les portes del forn, mufles, tubs radiants i accessoris de tractament tèrmic-.

El seu rendiment divergeix bruscament, però, una vegada que entren en escena atmosferes cementants, càrrega mecànica sostinguda o llargs intervals de servei. Aquest article compara els dos aliatges en funció de la composició, la capacitat de temperatura, la resistència a l'oxidació i la carburació, la resistència a la ruptura de fluència-, els requisits de fabricació i el cost total de propietat, de manera que els enginyers i els compradors puguin combinar l'aliatge amb l'aplicació i no al revés.

Què distingeix metal·lúrgicament el 310S de l'Incoloy 800?

La diferència de composició és la causa principal de totes les diferències de rendiment aigües avall comentades en aquest article. 310S porta el crom com a element d'aliatge principal i el níquel com a estabilitzador d'austenita secundari, per això es classifica com a acer inoxidable en lloc d'aliatge de níquel. Incoloy 800 inverteix aquesta proporció: el níquel és l'addició d'aliatge majoritària, el crom és secundari i el ferro constitueix l'equilibri en lloc de ser el metall base. El contingut més elevat de níquel és el que confereix als aliatges de la sèrie 800-la seva resistència a la difusió del carboni i la seva resistència retinguda a la temperatura, però el níquel també és l'entrada de matèria primera més cara, i és per això que els productes de la sèrie 800 d'Incoloy tenen un cost superior a 310S.

Font: ASTM A240/A480 (310S); Especificacions del molí ASTM B407/B408/B409 i UNS N08810 (Incoloy 800H). Els rangs són límits d'especificació nominals; verificar amb l'informe de prova actual del molí.

Altres dos detalls de composició són importants per al servei del forn. En primer lloc, el 310S és una variant baixa-de carboni del grau estàndard 310 (que permet fins a un 0,25% de carboni); el carboni més baix en 310S millora la resistència a la sensibilització i la corrosió intergranular després de la soldadura. En segon lloc, l'Incoloy 800H és en si mateix una variant de mida de gra- controlat-carboni-controlat- de l'Incoloy 800 base, i l'Incoloy 800HT reforça encara més la gamma d'alumini-més-titani - existeixen tant per a la millora de la força com per augmentar la força del forn{1} servei de-escalfador de procés, que es parla a la secció 4.

Quin aliatge suporta temperatures de funcionament contínues més altes?

El 310S es classifica habitualment per a una resistència a l'oxidació contínua fins a aproximadament 2.000 graus F (1.093 graus) i per a un servei intermitent o lleugerament cíclic a un rang similar, a causa del seu alt contingut de crom. El limitador pràctic per al 310S en servei de forn i forn no és l'escala d'òxid - és la formació de fase sigma-. Després d'una exposició prolongada entre aproximadament 1.200 graus F i 1.650 graus F (650-900 graus ), els acers inoxidables de la família 310-poden formar una fase sigma intermetàl·lica fràgil que redueix la duresa i la ductilitat a temperatura ambient. Els equips que circulen repetidament per aquesta banda de temperatura, com ara les portes del forn i els components del cremador, estan més exposats a aquest efecte que els equips que funcionen contínuament a la part superior del rang de temperatura.

Incoloy 800Hi 800HT estan classificats per a un servei a llarg termini-fins a aproximadament 2.000 graus F (1.093 graus ), amb possibles excursions de curta-durada per sobre d'això a costa de la pèrdua de força accelerada i l'oxidació. Com que els aliatges de la sèrie 800-són solucions-recuites a un mínim de 2.100 graus F (1.149 graus ) per produir una estructura de gra més gruixuda i més resistent a la fluència-, i perquè el seu contingut més elevat de níquel suprimeix el mateix mecanisme de fase sigma que afecta la flexibilitat i la ductilitat a través de la flexibilitat i la flexibilitat. part del rang de funcionament del forn, inclòs mitjançant cicles tèrmics repetits.

Quin aliatge ofereix una millor resistència a les atmosferes oxidants i carburants?

La resistència a l'oxidació d'ambdós aliatges prové principalment del crom, que forma una-escala protectora d'òxid de crom a alta temperatura. 310S en realitat transporta més crom que l'Incoloy 800H (aproximadament un 25% enfront d'aproximadament un 21%), la qual cosa és una de les raons per les quals el 310S segueix sent una atmosfera tan forta i econòmica com a forn oxidant. petxines i maquinari del cremador.

La resistència a la carburació és un mecanisme diferent, i aquí és on els dos aliatges divergeixen més bruscament. La transferència de carboni a la superfície metàl·lica des d'una atmosfera rica en carboni-depèn en gran mesura del contingut de níquel, perquè el níquel té una solubilitat molt baixa per al carboni i alenteix la seva difusió cap a l'interior. Les dades de camp sobre tubs 800H en el servei de processament d'hidrocarburs-de cementació mostren la ductilitat i la integritat estructural de l'aliatge que mantenen després d'anys d'exposició, en condicions en què els acers inoxidables de la família de -níquel 310-s cementen molt més ràpidament. Aquesta és la raó principal per la qual Incoloy 800H és el material habitual per als tubs de piròlisi d'etilè, components del forn de craqueig d'hidrocarburs i cistelles i accessoris de tractament tèrmic que veuen cicles de cementació repetits.

Les comparacions-de la taxa de corrosió publicades en entorns de forns de refineria il·lustren la bretxa: els aliatges Incoloy 800H/800HT s'han mesurat a aproximadament 0,15 mm/any (6,0 mpy), enfront d'aproximadament 0,23 mm/any (8,9 mpy) per a acer inoxidable de la família 310 en condicions comparables. Una taxa de corrosió més baixa es tradueix directament en una vida útil més llarga dels components i menys interrupcions no planificades per a la inspecció o substitució.

Com es comparen la fluència i l'estrès-la resistència a la ruptura a una temperatura elevada?

La fluència és la deformació lenta i depenent del temps-del metall sota càrrega sostinguda a alta temperatura, i la resistència a la ruptura de tensió-descriu quanta tensió pot suportar un material abans que es fracturi després d'un nombre determinat d'hores de servei. Aquesta propietat és important per a qualsevol component del forn que estigui sota càrrega mentre està calent - un tub radiant sota pressió interna, un refractari que suporta un penjador o una bobina en un forn de piròlisi - a diferència dels components que simplement estan exposats a la calor sense càrrega mecànica significativa, com ara un revestiment de mufla o un escut.

El 310S ofereix una força de ruptura-moderada, adequada per a components amb càrrega lleugera. Incoloy 800H i 800HT es van desenvolupar específicament per allargar la vida de ruptura de fluència-més enllà del que proporcionen els acers inoxidables de la família 800 o 310-estàndard, mitjançant un contingut de carboni controlat (0,05-0,10%) i un recuit de solució-de gra gruixut a un mínim de 2,9 graus F (110 %). Incoloy 800HT reforça l'especificació d'alumini-i-titani encara més, per a aplicacions que exigeixen la vida útil pràctica més llarga sota estrès sostingut a alta temperatura, com ara tubs de forn d'etilè i bobines de piròlisi.

Font: compilat a partir de dades d'especificacions ASTM A240/B407/B409 i estudis publicats de taxa de corrosió a alta -temperatura-i propietats-mecàniques per a 310/310H i Incoloy 800H/800HT en servei de refineria i forn. Verifiqueu els permesos de disseny amb l'actual ASME Secció II Part D o l'edició del codi aplicable abans de l'especificació final.

Quina és la diferència de costos i quan es justifica la prima?

El níquel és constantment el principal motor de preus de recàrrec d'aliatge per als dos materials, però Incoloy 800H/HT transporta aproximadament un 50 per cent més de níquel en pes que el 310S, i el níquel normalment es comercialitza amb un múltiple significatiu del crom i el ferro que constitueixen la major part del contingut d'aliatge del 310S. Això fa que els aliatges de la sèrie -800 siguin la compra més cara per-lliura o per-peu lineal, fins i tot abans que es consideri la fabricació.

El marc de decisió que es desprèn de la comparació tècnica anterior és senzill. Especifiqueu 310S quan el component vegi una atmosfera oxidant neta, una càrrega mecànica lleugera o nul·la i una -esperança de vida útil - del forn, les portes, els ventiladors i els protectors sense-càrrega-s'ajusten habitualment. Especifiqueu Incoloy 800H o 800HT quan el component estigui sota càrrega sostinguda a temperatura, exposat a una atmosfera de carburació o sulfuració, o quan el cost d'una aturada no planificada per reemplaçar un component avariat superi substancialment el cost del material - tubs radiants, processos-components d'escalfament, bobines de cracking d'etilè, bobines de carburació i bobines d'esquerdament de calor habituals amb cicles llargs de carburació encaixa.

Com es diferencien els requisits de fabricació, soldadura i tractament tèrmic?

310S és una solució-recuita en el rang de 1.900 a 2.100 graus F (1.030 a 1.150 graus ) seguit d'un refredament ràpid, que torna a posar els carburs en solució i maximitza la resistència a la corrosió. Si l'equip familiar 310-ha vist un servei estès per sobre de 650 graus F (1.200 graus F) i s'ha format la fase sigma, la ductilitat generalment es pot restaurar amb el mateix cicle de recuit de solució-; un nou recuit després d'aproximadament cada 1.000 hores de servei per sobre de 1.200 graus F és un interval de manteniment citat habitualment per a equips propensos a la formació de sigma.

Incoloy 800H i 800HT requereixen un recuit de solució a un mínim de 2.100 graus F (1.149 graus) - notablement més alt que el recuit utilitzat per 310S - específicament per produir una estructura de gra més gruixut (normalment ASTM mida de gra No. 5 o una vida útil més gruixuda){0} Tots dos aliatges es poden soldar mitjançant arcs de tungstè de gas estàndard i processos d'arc metàl·lic blindat amb metall d'aportació coincident o gairebé{12}}apropiat, i tots dos es formen convencionalment en fred-, tot i que els aliatges de la sèrie 800 poden mostrar una textura superficial característica ("pela de taronja") després d'una formació en fred intensa a causa de la seva mida de gra més gruixuda.

Quin aliatge hauríeu d'especificar per als components comuns del forn i del forn?

Font: Guia general de selecció basada en propietats documentades de l'aliatge i pràctiques habituals de forns/forns industrials. La selecció específica del component-ha de tenir en compte la química real de l'atmosfera, la classificació de pressió, la freqüència de cicle tèrmic i el codi de disseny aplicable.

Preguntes freqüents

P: Es poden utilitzar 310S i Incoloy 800H de manera intercanviable al mateix forn?

A: En general, no. Tenen diferents taxes d'expansió tèrmica i un comportament de fluència diferent, de manera que barrejar-los en un sol conjunt soldat sota càrrega pot crear una tensió diferencial. Quan els dos aliatges apareixen al mateix forn, normalment s'utilitzen en components separats i amb suport independent -, per exemple, una carcassa 310S amb tubs interns Incoloy 800H.

P: Incoloy 800 és el mateix que Incoloy 800H o 800HT?

R: No. L'Incoloy 800 estàndard (UNS N08800) permet un rang de carboni més ampli i no porta el recuit de solució de gran-gra gruixut i d'alta-temperatura que dóna a 800H (UNS N08810) i 800HT (UNS N08811) la seva resistència a la ruptura{9} superior. A les especificacions actuals de-escalfadors de processos i forns, 800H i 800HT han substituït en gran part l'estàndard 800.

P: El 310S requereix un tractament tèrmic posterior a la-soldadura?

R: No és per a la resistència a la corrosió en la majoria d'aplicacions de forn, ja que el 310S és un grau de baix-carboni amb una bona resistència a la sensibilització relacionada-a la soldadura. Si l'equip veurà un servei estès a l'interval de formació de sigma-fase-, un recuit periòdic de solució - no un alleujament de tensió - és el tractament correctiu adequat, no un requisit rutinari de post-soldadura.

P: Quin és el límit de temperatura pràctic per al servei continu de 310S?

R: Aproximadament 2.000 graus F (1.093 graus ) per al servei d'oxidació contínua, amb l'advertència que l'equip que passa per l'interval de 1.200-1.650 graus F (650-900 graus) repetidament està exposat a sigma-fase sigma{10}}s'hauria d'avaluar la fragilitat periòdica}1}1}1 periòdica.

P: Per què importa tant el contingut de níquel per a la resistència a la carburació?

R: El carboni té una solubilitat molt baixa en níquel i es difon més lentament que en ferro o crom. Com que l'Incoloy 800H transporta aproximadament un 30-35% de níquel en comparació amb un 19-22% aproximadament de 310S, el carboni penetra a la seva superfície més lentament en condicions de carburació idèntiques, que és la raó principal per la qual 800H supera els acers inoxidables de la família 310 en atmosferes de forn de carburació.