310S versus Incoloy 800: selectie van hitte-legeringen voor oven- en oventoepassingen

Invoering

Oven-, oven- en thermische{0}}verwerkingsingenieurs worden routinematig geconfronteerd met dezelfde materiaalbeslissing: specificeer een kosten-effectief hitte-resistent roestvrij staal, of stap over op een nikkel-ijzer-chroomlegering die is gebouwd voor duurzame hoge- temperatuursterkte.310S roestvrij staalen Incoloy 800 (inclusief de 800H- en 800HT-varianten) zijn de twee meest vergeleken kandidaten voor deze beslissing. Beide zijn bestand tegen oxidatie bij hoge temperaturen, beide zijn gemakkelijk te vervaardigen en te lassen, en beide komen routinematig voor in ovendeuren, moffels, stralingsbuizen en warmtebehandelingsarmaturen.

Hun prestaties lopen echter sterk uiteen zodra een carbonerende atmosfeer, aanhoudende mechanische belasting of lange onderhoudsintervallen in beeld komen. In dit artikel worden de twee legeringen vergeleken op het gebied van samenstelling, temperatuurbestendigheid, weerstand tegen oxidatie en carburatie, kruip-scheursterkte, fabricagevereisten en totale eigendomskosten, zodat ingenieurs en kopers de legering kunnen afstemmen op de toepassing in plaats van andersom.

Wat onderscheidt 310S metallurgisch van Incoloy 800?

Het verschil in samenstelling is de hoofdoorzaak van elk stroomafwaarts prestatieverschil dat in dit artikel wordt besproken.. 310S bevat chroom als primair legeringselement en nikkel als secundaire austenietstabilisator. Daarom wordt het geclassificeerd als roestvrij staal in plaats van als een nikkellegering. Incoloy 800 keert die verhouding om: nikkel is de belangrijkste legeringstoevoeging, chroom is secundair en ijzer vormt de balans in plaats van het basismetaal. Het hogere nikkelgehalte geeft de legeringen uit de 800--serie hun weerstand tegen koolstofdiffusie en hun behouden sterkte bij temperatuur - maar nikkel is ook de duurdere grondstof, wat de reden is dat de producten uit de Incoloy 800-serie een aanhoudende kostenpremie hebben ten opzichte van 310S.

Bron: ASTM A240/A480 (310S); ASTM B407/B408/B409 en UNS N08810 molenspecificaties (Incoloy 800H). Bereiken zijn nominale specificatielimieten; verifiëren aan de hand van het huidige testrapport van de molen.

Twee andere samenstellingsdetails zijn van belang voor ovenservice. Ten eerste is 310S een variant met een laag-koolstofgehalte van standaardklasse 310 (die tot 0,25% koolstof toelaat); het lagere koolstofgehalte in 310S verbetert de weerstand tegen sensibilisering en interkristallijne corrosie na het lassen. Ten tweede is Incoloy 800H zelf een variant met gecontroleerde-koolstof, gecontroleerde-korrel-grootte van basis Incoloy 800, en Incoloy 800HT verstevigt de aluminium-plus-titaniumreeks - beide verfijningen bestaan specifiek om de kruip-breuksterkte voor oven- en procesverwarmers- te verhogen, wat wordt besproken in sectie 4.

Welke legering is bestand tegen hogere continue bedrijfstemperaturen?

310S wordt gewoonlijk beoordeeld voor continue oxidatieweerstand tot ongeveer 2.000 graden F (1.093 graden) en voor intermitterende of licht cyclische dienst tot een vergelijkbaar bereik, vanwege het hoge chroomgehalte. De praktische beperking voor 310S in ovens en ovens is niet de oxideschaal - maar de sigma-fasevorming. Na langdurige blootstelling tussen ongeveer 1200 graden F en 1650 graden F (650–900 graden), kunnen roestvrij staalsoorten uit de 310-familie een broze intermetallische sigmafase vormen die de taaiheid en ductiliteit bij kamertemperatuur vermindert. Apparatuur die herhaaldelijk door dit temperatuurbereik gaat, zoals ovendeuren en brandercomponenten, wordt meer aan dit effect blootgesteld dan apparatuur die continu in de top van het temperatuurbereik werkt.

Incoloy 800Hen 800HT zijn geschikt voor langdurig gebruik op de -termijn tot ongeveer 2.000 graden F (1.093 graden), met korte- schommelingen daarboven mogelijk, ten koste van versneld krachtverlies en oxidatie. Omdat de legeringen uit de 800-serie oplossing-gegloeid worden bij een minimum van 2100 graden F (1149 graden) om een grovere, meer kruip-korrelstructuur te produceren, en omdat hun hogere nikkelgehalte hetzelfde sigma-fasemechanisme onderdrukt dat 310S beïnvloedt, hebben ze de neiging om bruikbare ductiliteit en taaiheid te behouden over een groter deel van het werkingsbereik van de oven, inclusief door herhaalde thermische fietsen.

Welke legering biedt een betere weerstand tegen oxiderende en carboniserende atmosferen?

De oxidatieweerstand in beide legeringen komt voornamelijk van chroom, dat bij hoge temperaturen een beschermende chroom{0}}oxide-aanslag vormt. 310S bevat feitelijk meer chroom dan Incoloy 800H (ongeveer 25% versus ongeveer 21%), wat één van de redenen is dat 310S een sterke, economische prestatie blijft in schone oxiderende atmosferen zoals luchtovens, ovenschalen en branderhardware.

Carburatieweerstand is een ander mechanisme, en dit is waar de twee legeringen het scherpst uiteenlopen. De overdracht van koolstof naar het metaaloppervlak vanuit een koolstof-rijke atmosfeer is sterk afhankelijk van het nikkelgehalte, omdat nikkel een zeer lage oplosbaarheid voor koolstof heeft en de diffusie naar binnen vertraagt. Uit praktijkgegevens van 800H-buizen in de carboneerkoolwaterstof-verwerking blijkt dat de legering ductiliteit en structurele integriteit behoudt na jaren van blootstelling, in omstandigheden waarin roestvrij staal uit de lagere-nikkel 310-familie meetbaar sneller carboneert. Dit is de belangrijkste reden dat Incoloy 800H het basismateriaal is voor ethyleenpyrolysebuizen, componenten voor kraakovens voor koolwaterstoffen en warmtebehandelingsmanden en -armaturen die herhaalde carburatiecycli ondergaan.

Gepubliceerde vergelijkingen van de corrosie{0}}snelheid in raffinaderijovenomgevingen illustreren de kloof: Incoloy 800H/800HT-legeringen zijn gemeten op ongeveer 0,15 mm/jaar (6,0 mpy), tegenover ongeveer 0,23 mm/jaar (8,9 mpy) voor roestvrij staal uit de 310-familie onder vergelijkbare omstandigheden. Een lagere corrosiesnelheid vertaalt zich direct in een langere levensduur van de componenten en minder ongeplande uitval vanwege inspectie of vervanging.

Hoe verhouden kruip- en spannings-breuksterkte zich bij hogere temperaturen?

Kruip is de langzame, tijd-afhankelijke vervorming van metaal onder aanhoudende belasting bij hoge temperatuur, en spannings-breuksterkte beschrijft hoeveel spanning een materiaal kan dragen voordat het na een bepaald aantal bedrijfsuren breekt. Deze eigenschap is van belang voor elk ovenonderdeel dat onder belasting staat terwijl het heet is - een stralingsbuis onder interne druk, een hanger die vuurvast materiaal ondersteunt, of een spiraal in een pyrolyseoven -, in tegenstelling tot onderdelen die eenvoudigweg worden blootgesteld aan hitte zonder noemenswaardige mechanische belasting, zoals een moffelvoering of schild.

310S biedt een gemiddelde kruip-breuksterkte, voldoende voor licht belaste componenten. Incoloy 800H en 800HT zijn speciaal ontwikkeld om de levensduur van kruip-breuken te verlengen tot voorbij wat standaard roestvast staal uit de 800- of 310--familie biedt, door middel van een gecontroleerd koolstofgehalte (0,05–0,10%) en een grove-korrelige oplossing bij een minimum van 2100 graden F (1149 graden). Incoloy 800HT verscherpt bovendien de specificaties voor aluminium{18}}en-titanium, voor toepassingen die de langste praktische levensduur vereisen onder aanhoudende hoge temperatuurbelasting, zoals ethyleenovenbuizen en pyrolysespiralen.

Bron: Samengesteld op basis van ASTM A240/B407/B409-specificatiegegevens en gepubliceerde hoge--temperatuurcorrosie-snelheid en mechanische-eigenschapsstudies voor 310/310H en Incoloy 800H/800HT in raffinaderijen en ovens. Controleer de toegestane ontwerpen aan de hand van de huidige ASME Sectie II Deel D of de toepasselijke code-editie vóór de definitieve specificatie.

Wat is het kostenverschil en wanneer is de premie gerechtvaardigd?

Nikkel is consequent de grootste drijvende kracht achter de prijsstelling van legeringstoeslagen voor beide materialen, maar Incoloy 800H/HT bevat grofweg 50 procent meer nikkel dan 310S, en nikkel wordt doorgaans verhandeld tegen een aanzienlijk veelvoud van het chroom en ijzer dat het grootste deel van de legeringsinhoud van 310S uitmaakt. Dit maakt de legeringen uit de 800-serie de duurdere aanschaf per-pond of per-lineaire voet, voordat fabricage zelfs maar wordt overwogen.

Het beslissingskader dat volgt uit de bovenstaande technische vergelijking is eenvoudig. Specificeer 310S wanneer het onderdeel een schone oxiderende atmosfeer, lichte of geen mechanische belasting en matige service-levensverwachtingen - ovenschalen, deuren, ventilatoren en niet-belasting-dragende schilden te zien krijgt, zijn veel voorkomende toepassingen. Specificeer Incoloy 800H of 800HT wanneer het onderdeel langdurig wordt belast bij een temperatuur, wordt blootgesteld aan een carbonerende of sulfiderende atmosfeer, of wanneer de kosten van een ongeplande uitschakeling om een ​​defect onderdeel te vervangen substantieel hoger zijn dan de materiaalkostenpremie. - Stralingsbuizen, proces-verwarmercomponenten, ethyleenkraakspiralen en warmtebehandeling-armaturen met lange carboneringscycli zijn gebruikelijke toepassingen.

Hoe verschillen de vereisten voor fabricage, lassen en warmtebehandeling?

310S wordt oplossingsgegloeid-in het bereik van 1.900–2.100 graden F (1.030–1.150 graden), gevolgd door snelle afkoeling, waardoor carbiden weer in oplossing komen en de corrosieweerstand wordt gemaximaliseerd. Als apparatuur van de 310-familie een uitgebreide service heeft ondergaan boven 1200 graden F (650 graden) en er een sigmafase is gevormd, kan de ductiliteit over het algemeen worden hersteld met dezelfde oplossing-uitgloeicyclus; opnieuw gloeien na ongeveer elke 1.000 bedrijfsuren boven 1.200 graden F is een vaak aangehaald onderhoudsinterval voor apparatuur die gevoelig is voor sigmavorming.

Incoloy 800H en 800HT vereisen een oplossingsgloeien bij minimaal 2100 graden F (1149 graden) - merkbaar hoger dan het gloeien dat wordt gebruikt voor 310S -, specifiek om een ​​grovere korrelstructuur te produceren (typisch ASTM korrelgrootte nr. 5 of grover) die de kruip- breuklevensduur verbetert. Beide legeringen zijn lasbaar met standaard gaswolfraamboog- en afgeschermde metaalboogprocessen met bijpassend of bijna -bijpassend vulmetaal, en beide zijn conventioneel koud-gevormd, hoewel de legeringen uit de 800-serie een karakteristieke oppervlaktetextuur ("sinaasappelschil") kunnen vertonen na zwaar koudvervormen vanwege hun grovere korrelgrootte.

Welke legering moet u opgeven voor gewone oven- en ovencomponenten?

Bron: Algemene selectierichtlijnen gebaseerd op gedocumenteerde legeringseigenschappen en gebruikelijke industriële ovenpraktijken. Component-specifieke selectie moet rekening houden met de werkelijke atmosfeerchemie, drukclassificatie, thermische cyclusfrequentie en toepasselijke ontwerpcode.

Veelgestelde vragen

Vraag: Kunnen 310S en Incoloy 800H door elkaar worden gebruikt in dezelfde oven?

A: Over het algemeen niet. Ze hebben verschillende thermische uitzettingssnelheden en verschillend kruipgedrag, dus het mengen ervan in een enkel lassamenstel onder belasting kan verschillende spanningen veroorzaken. Waar beide legeringen in dezelfde oven voorkomen, worden ze doorgaans gebruikt in afzonderlijke, onafhankelijk ondersteunde componenten - bijvoorbeeld een 310S-schaal met Incoloy 800H interne buizen.

Vraag: Is Incoloy 800 hetzelfde als Incoloy 800H of 800HT?

A: Nee. Standaard Incoloy 800 (UNS N08800) maakt een breder koolstofbereik mogelijk en beschikt niet over de grof-korrelige oplossing bij hoge- temperatuur die 800H (UNS N08810) en 800HT (UNS N08811) hun superieure kruip- breuksterkte geeft. Volgens de huidige specificaties voor ovens en procesverwarmers hebben 800H en 800HT de standaard 800 grotendeels vervangen.

Vraag: Heeft de 310S een warmtebehandeling na- het lassen nodig?

A: Niet voor corrosiebestendigheid in de meeste oventoepassingen, aangezien 310S een laag-koolstofgehalte heeft met een goede weerstand tegen las-gerelateerde sensibilisatie. Als apparatuur een langere levensduur zal hebben in het sigma-fase-vormbereik, is een periodieke oplossing uitgloeien - en geen spanningsverlichting - de juiste corrigerende behandeling, geen routinematige post-vereiste.

Vraag: Wat is de praktische temperatuurlimiet voor continu gebruik van de 310S?

A: Ongeveer 2.000 graden F (1.093 graden) voor continu oxiderende werking, met het voorbehoud dat apparatuur die door het bereik van 1.200–1.650 graden F (650–900 graden) gaat herhaaldelijk wordt blootgesteld aan sigma-faseverbrossing en moet worden geëvalueerd voor periodiek opnieuw-gloeien.

Vraag: Waarom is het nikkelgehalte zo belangrijk voor de weerstand tegen carburatie?

A: Koolstof heeft een zeer lage oplosbaarheid in nikkel en diffundeert daarin langzamer dan in ijzer of chroom. Omdat Incoloy 800H ongeveer 30-35% nikkel bevat, tegenover ongeveer 19-22% voor 310S, dringt koolstof langzamer door in het oppervlak onder identieke carboneeromstandigheden, wat de belangrijkste reden is dat 800H beter presteert dan roestvrij staal uit de 310-familie in de atmosfeer van carboneerovens.