Jak objemový zlomek primárního karbidu niobu (NbC) ve stabilizovaném 347 ohřívacím plášti řídí odpor senzibilizace během dlouhodobého-provozu při 550 stupních ve srovnání s 316L

Stabilizační účinek prodlouženého vystavení vysokým teplotám

Pro dlouhodobé vysokoteplotní (550 stupňů) použití opláštěných elektrických topných trubek, jako jsou průmyslové ohřívače vzduchu, předehřívače petrochemických pecí nebo tepelná-zařízení, je volba nerezové oceli 316L (nízkouhlíkové) oproti 347 (stabilizované niobem) řízena jejich příslušnou odolností vůči senzibilizaci. 316schopnost odolávat srážení karbidu chromitému (karbohydráty chrómu<0.03%). However even 316L can sensitise at 550 C after long service (5000-10000 hours). Carbon diffusion is sluggish, but will allow carbides to develop at grain boundaries. Type 347 has niobium (Nb, usually 10× C content, 0.3-0.8% Nb) which forms stable niobium carbide (NbC) precipitates in the grains, binding up carbon and preventing chromium depletion. The long term resistance to sensitisation is totally controlled by the volume fraction of the primary NbC (0.05-0.2%) and the fine secondary NbC which precipitates in service. Properly stabilised 347 is not sensitised at 550°C for >50 000 hodin. 316L začíná senzibilizovat po 5 000–10 000 hodinách. Článek kvantifikuje souvislost mezi objemovým procentem NbC, provozní dobou a odolností vůči senzibilizaci u 347 oproti 316L.

Mechanismus fixace uhlíku a stabilizace niobu

V nerezové oceli 347 (18Cr-11Ni-Nb) má niob podstatně větší afinitu k uhlíku než chrom. Během rozpouštěcího žíhání (1 050-1 100 stupňů) se většina NbC rozpustí, ale primární částice NbC (1-5 µm) zůstávají nerozpuštěné. Jemný sekundární NbC precipituje (10-50 nm) v austenitové matrici, převážně v dislokacích a v zrnech spíše než na hranicích zrn, při ochlazování a provozu při 450-750 stupních. Uhlík je vázán jako NbC, takže aktivita uhlíku v matrici je velmi nízká. To zabraňuje tvorbě karbidů Cr (Cr2 3 C6) na hranicích zrn. Účinnost stabilizace je závislá na poměru Nb:C (asi 8:1 pro NbC) a úplnosti stabilizačního žíhání (obvykle 850-900 stupňů po dobu 2-4 hodin po rozpouštěcím žíhání).

Vztah mezi objemovým zlomkem NbC a odolností vůči senzibilizaci při 550 stupních

347 hadiček (s různými koncentracemi niobu a uhlíku) a 316L hadičky při 550 stupních po dobu až 50 000 hodin s pravidelným testováním ASTM A262 Practice A (leptání kyselinou šťavelovou) a Practice E (měď-síran měďnatý) určily následující časy pro začátek senzibilizace:

Alloy Niobium (wt %) Carbon (wt %)Nb:C weight ratio NbC fraction Volume (%) Sensitisation time at 550°C (h) ASTM A262 Practice A after 10,000hRecommended for >10,000 hours at 550°C 316L 0 0.020 0 0 5,000-10,000 Ditch (sensitized) No 316L (extra low C) 0 0.010 0 0 10,000-20,000 Dual (transition) Marginal 347 (under-stabilized) 0.15 0.040 3.8 0.02-0.05 10,000-20,000 Dual Acceptable 347 (minimally stabilized) 0.20 0.040 5.0 0.04-0.08 20,000-30,000 Step (mostly) Recommended 347 (properly stabilized) 0.40 0.040 10 0.08-0.15 >50,000 Step Best 347 (fully stabilized) 0.60 0.040 15 0.12-0.20 >50,000 Step Best 347 (over-stabilized) 0.80 0.040 20 0.15-0.25 >50 000 (ale výztuhy NbC) Krok (ale riziko feritu) Upozornění Přijatelné 347 (vysoké C) 0.40 0.060 6.7 0.10-0.18 30, 000-40 000 Krok Doporučeno
Vliv stabilizačního žíhání na precipitaci NbC

Po rozpouštěcím žíhání vyvolá stabilizační žíhání při 850-900 stupních precipitaci jemného intragranulárního NbC, maximalizuje fixaci uhlíku a zabraňuje následné senzibilizaci.

Sekvence tepelného zpracování Morfologie NbC Doba do senzibilizace při 550 °C (hod) Doporučeno pro dlouhodobý servis (LTS)
Pouze rozpouštěcí žíhání (1050 stupňů, zchlazeno vodou) Pouze primární NbC (hrubý, trochu C v roztoku) 15 000-30 000 Přijatelné
Solution anneal + stabilisation (850°C, 2 h)Fine intragranular NbC (most C fixed) >50 000 Nejlepší
Solution anneal + stabilisation (900°C, 4h)>50 000 Beste Velmi jemný NbC, plná C fixace
Hrubá stabilizace bez rozpouštěcího žíhání Pouze NbC (neúplné) 10 000-20 000 Hranice
Žádná stabilizace (jako svařené) Smíšené 5 000-15 000 Nedoporučuje se
Praktická doporučení pro výběr ohřívače pro 550° servis

Pro nepřetržitý provoz opláštěných ohřívačů při 550 stupních platí následující parametry pro výběr slitiny v závislosti na zamýšlené životnosti:

Požadovaná životnost při 550 stupních (hodinách) Navrhovaná slitina Minimální požadavek na stabilizaci Očekávaný nákladový faktor odolnosti proti senzibilizaci<5,000 316L (0.03%C) None Acceptable 1.0× 5,000-10,000 316L (0.02%C) or 347 (minimum)1.1×10,000-20,000 347 (well stabilised) 850°C, 2h Marginal None for 316L; stabilisation optional for 347Good 1.3× 20,000-50,000 347 (completely stabilized) 900°C, 4h Excellent 1.4× >50,000 347 + high Nb (0.6-0.8%) Full stabilisation + fine grain Best 1.5× >50 000 (korozivní prostředí) Nerezová ocel 310 (bez senzibilizace) N/A Nelze použít 2,0× Účinnost ověření stabilizace

Následující požadavky na schválení platí pro kupující specifikující 347 pro dlouhodobou vysokoteplotní službu:

ASTM A262 Cvičení A: Stupňovitá struktura (hladké hranice zrn) po plné zamýšlené životnosti nebo po urychleném stárnutí (1 000 h při 650 stupních)

ASTM A262 Cvičení E: Po stárnutí Pass (žádné praskání po ohnutí)

Niobium to carbon ratio: Nb/C weight ratio >= 10 (ideálně 12-15) na certifikátu mlýna

Certifikace stabilizačního žíhání: zaznamenaný čas a teplota (tj. . 900 °C po dobu 4 hodin).

Závěr: 347 Více než 316 l pro rozšířenou službu 550 stupňů

Carbon diffusion in 316L stainless steel heater sheaths at 550°C leads to chromium carbide precipitation and sensitisation after 5,000-10,000 hours of operation, making it susceptible to intergranular corrosion. Type 347 (niobium stabilised) with correct ratio of Nb:C (≥10:1) and stabilisation annealing (850-900°C, 2-4 hours) is not sensitised for >50 000 hodin v důsledku trvalého ukládání uhlíku jako intragranulárního NbC. Pro nepřetržitý provoz nad 500 stupňů s požadavky na životnost přesahujícími 5 000-10 000 hodin by měli technici specifikující zapouzdřené ohřívače zvolit 347 namísto 316 l. Pro nejnáročnější aplikace (korozivní podmínky + vysoká teplota) nerezová ocel 310 (25Cr-20Ni) poskytne ještě větší odolnost, ale za vyšší cenu. Tento rámec umožňuje kupujícím vybrat si nejvíce stabilizovanou slitinu pro dlouhodobý provoz ve vysokoteplotním ohřívači korelací objemového podílu NbC s dobami zahájení senzibilizace při 550 stupních.