310S против Incoloy 800: выбор жаропрочных-сплавов для печей и обжиговых печей

Введение

Инженеры по печам, печам и термической-обработке обычно сталкиваются с одним и тем же выбором материала: выбрать экономичную-жаростойкую-нержавеющую сталь или перейти на никелевый-железо-хромовый сплав, рассчитанный на длительную-прочную прочность при высоких-температурах.нержавеющая сталь 310Sи Incoloy 800 (включая варианты 800H и 800HT) являются двумя наиболее часто сравниваемыми кандидатами для этого решения. Оба устойчивы к окислению при высоких температурах, оба легко изготавливаются и свариваются, и оба обычно используются в дверцах печей, муфелях, радиационных трубах и приспособлениях для термообработки-.

Однако их производительность резко меняется, когда на поверхность вступают науглероживающие атмосферы, постоянные механические нагрузки или длительные интервалы между техническим обслуживанием. В этой статье сравниваются два сплава по составу, температурным возможностям, стойкости к окислению и науглероживанию, пределу ползучести-разрыва, требованиям к изготовлению и общей стоимости владения, чтобы инженеры и покупатели могли подобрать сплав для конкретного применения, а не наоборот.

Что отличает 310S от Incoloy 800 с металлургической точки зрения?

Разница в составе является основной причиной всех различий в производительности после обработки, обсуждаемых в этой статье.. 310S содержит хром в качестве основного легирующего элемента и никель в качестве вторичного стабилизатора аустенита, поэтому его классифицируют как нержавеющую сталь, а не как никелевый сплав. Incoloy 800 меняет это соотношение: никель является основной легирующей добавкой, хром является вторичным, а железо составляет баланс, а не является основным металлом. Более высокое содержание никеля обеспечивает сплавам серии 800- устойчивость к диффузии углерода и сохранение прочности при температуре, но никель также является более дорогим сырьевым материалом, поэтому продукты серии Incoloy 800 имеют постоянную надбавку к стоимости по сравнению со сплавом 310S.

Источник: ASTM A240/A480 (310S); Спецификации мельниц ASTM B407/B408/B409 и UNS N08810 (Incoloy 800H). Диапазоны представляют собой номинальные пределы спецификации; сверить с текущим протоколом испытаний мельницы.

Две другие детали состава имеют значение для обслуживания печи. Во-первых, 310S — это вариант стандартной марки 310 с низким-углеродом (содержание углерода до 0,25 %); низкое содержание углерода в 310S повышает устойчивость к сенсибилизации и межкристаллитной коррозии после сварки. Во-вторых, Incoloy 800H сам по себе является вариантом базового Incoloy 800 с контролируемым-углеродом и контролируемым-зерном-размером, а Incoloy 800HT еще больше усиливает алюминиевый-плюс{14}}титановый диапазон -. Обе модификации существуют специально для повышения прочности на ползучесть-разрыв для печей и технологических-нагревателей, что обсуждается в разделе 4.

Какой сплав выдерживает более высокие температуры непрерывной эксплуатации?

310S обычно рассчитан на стойкость к непрерывному окислению примерно до 2000 градусов F (1093 градуса) и на прерывистую или умеренно циклическую эксплуатацию в аналогичном диапазоне из-за высокого содержания хрома. Практическим ограничением для 310S при эксплуатации в печах и обжиге является не оксидная осадка -, а образование сигма-фазы. После длительного воздействия температуры примерно от 1200 до 1650 градусов F (650–900 градусов) нержавеющие стали семейства 310- могут образовывать хрупкую интерметаллическую сигма-фазу, которая снижает ударную вязкость и пластичность при комнатной температуре. Оборудование, которое неоднократно проходит через этот температурный диапазон, например, дверцы печи и компоненты горелок, более подвержено этому эффекту, чем оборудование, которое постоянно работает в верхней части температурного диапазона.

Инколой 800Hи 800HT рассчитаны на длительную-работу при температуре примерно до 2000 градусов F (1093 градуса), при этом кратковременные-превышения температуры возможны за счет ускоренной потери прочности и окисления. Поскольку сплавы серии 800- подвергаются-отжигу в растворе при температуре не менее 2100 градусов F (1149 градусов) для получения более крупной, более устойчивой к ползучести зернистой структуры, а также поскольку более высокое содержание никеля в них подавляет тот же сигма-фазовый механизм, который влияет на 310S, они имеют тенденцию сохранять применимую пластичность и ударную вязкость в более широком диапазоне рабочего диапазона печи, в том числе за счет повторяющихся термоциклов.

Какой сплав обеспечивает лучшую стойкость к окислительной и науглероживающей атмосфере?

Стойкость к окислению в обоих сплавах обусловлена ​​главным образом хромом, который образует защитную окалину -оксида хрома при высоких температурах.. 310S на самом деле содержит больше хрома, чем Incoloy 800H (примерно 25 % против примерно 21 %), что является одной из причин, по которой 310S остается сильным и экономичным продуктом в чистых окислительных атмосферах, таких как воздушные печи, кожухи печей и оборудование горелок.

Сопротивление науглероживанию имеет другой механизм, и именно здесь два сплава расходятся наиболее резко. Перенос углерода на поверхность металла из атмосферы,-богатой углеродом, сильно зависит от содержания никеля, поскольку никель очень плохо растворяет углерод и замедляет его внутреннюю диффузию. Полевые данные по трубам 800H при науглероживании углеводородов-показывают, что сплав сохраняет пластичность и структурную целостность после многих лет воздействия в условиях, когда нержавеющие стали с низким содержанием-никеля 310-науглероживаются заметно быстрее. Это основная причина, по которой Incoloy 800H является основным материалом для труб пиролиза этилена, компонентов печей крекинга углеводородов, а также корзин и приспособлений для термообработки, которые подвергаются повторяющимся циклам цементации.

Опубликованные сравнения скорости коррозии- в условиях печей нефтеперерабатывающего завода иллюстрируют этот пробел: измеренная скорость коррозии сплавов Incoloy 800H/800HT составляла примерно 0,15 мм/год (6,0 миль в год) по сравнению с примерно 0,23 мм/год (8,9 миль в год) для нержавеющей стали семейства 310 в сопоставимых условиях. Более низкая скорость коррозии напрямую приводит к увеличению срока службы компонентов и уменьшению количества незапланированных простоев для проверки или замены.

Как сравниваются ползучесть и прочность-на разрыв при повышенной температуре?

Ползучесть – это медленная,-зависимая от времени деформация металла под длительной нагрузкой и высокой температурой, а прочность-на разрыв описывает, какое напряжение может выдержать материал, прежде чем он сломается после заданного количества часов эксплуатации. Это свойство имеет значение для любого компонента печи, который находится под нагрузкой при нагреве - радиационной трубы под внутренним давлением, подвески, поддерживающей огнеупор, или змеевика в печи пиролиза -, в отличие от компонентов, которые просто подвергаются нагреву без значительной механической нагрузки, таких как футеровка или экран муфеля.

310S обладает умеренной прочностью на разрыв-ползучести, достаточной для легконагруженных компонентов. Incoloy 800H и 800HT были специально разработаны для увеличения стойкости к ползучести-разрыву сверх того, что обеспечивают стандартные нержавеющие стали семейства 800 или 310-, за счет контролируемого содержания углерода (0,05–0,10%) и крупнозернистого отжига в растворе при температуре минимум 2100 градусов F (1149 градусов). Кроме того, Incoloy 800HT еще больше ужесточает требования к алюминию-и-титану для применений, требующих максимально длительного практического срока службы в условиях постоянных высокотемпературных напряжений, таких как трубы для этиленовых печей и змеевики пиролиза.

Источник: составлено на основе данных спецификации ASTM A240/B407/B409 и опубликованных исследований-скорости-скорости и механических-свойств для сплавов 310/310H и Incoloy 800H/800HT при эксплуатации нефтеперерабатывающих заводов и печей. Прежде чем составить окончательную спецификацию, проверьте допустимые параметры конструкции на соответствие действующему разделу II ASME, часть D или применимому изданию норм.

Какова разница в стоимости и когда премия оправдана?

Никель неизменно является крупнейшим фактором повышения надбавки к цене на сплавы для обоих материалов, но Incoloy 800H/HT содержит примерно на 50 процентов больше никеля по весу, чем 310S, а никель обычно продается по цене, в несколько раз превышающей цену хрома и железа, которые составляют большую часть содержания сплава 310S. Это делает сплавы серии 800-более дорогостоящей покупкой в ​​расчете на-фунт или-погонный фут, еще даже не рассматривая возможность изготовления.

Схема принятия решений, следующая из приведенного выше технического сравнения, проста. Укажите 310S, если компонент подвергается воздействию чистой окислительной атмосферы, незначительной механической нагрузке или ее отсутствию, а также умеренному -ожидаемому сроку службы - обычно подходят кожухи печи, дверцы, вентиляторы и не-нагрузочные-экраны подшипников. Используйте Incoloy 800H или 800HT, если компонент находится под постоянной нагрузкой при температуре, подвергается воздействию цементирующей или сульфидирующей атмосферы или когда стоимость незапланированного отключения для замены вышедшего из строя компонента существенно превышает надбавку к стоимости материала. - Обычно подходят излучающие трубы, компоненты технологического-нагревателя, змеевики для крекинга этилена и приспособления для термической-обработки с длительными циклами цементации.

Как различаются требования к изготовлению, сварке и термообработке?

310S представляет собой раствор,-отожженный в диапазоне температур 1900–2100 градусов F (1030–1150 градусов) с последующим быстрым охлаждением, что возвращает карбиды в раствор и максимизирует коррозионную стойкость. Если оборудование семейства 310-прослужило в течение длительного срока при температуре выше 1200 градусов F (650 градусов) и образовалась сигма-фаза, пластичность обычно можно восстановить с помощью того же цикла отжига -раствора; повторный отжиг примерно через каждые 1000 часов работы при температуре выше 1200 градусов по Фаренгейту — это часто упоминаемый интервал технического обслуживания для оборудования, склонного к образованию сигма.

Для Incoloy 800H и 800HT требуется отжиг на раствор при температуре не менее 2100 градусов F (1149 градусов) -, что заметно выше, чем отжиг, используемый для 310S -, специально для получения более крупнозернистой структуры (обычно размер зерна по ASTM №. 5 или выше), что увеличивает долговечность при ползучести-разрыве. Оба сплава пригодны для сварки стандартной газовой вольфрамовой дугой и дуговой сваркой защитным металлом с соответствующим или-соответствующим присадочным металлом, и оба подвергаются традиционной холодной-деформации, хотя сплавы серии 800 могут иметь характерную текстуру поверхности («апельсиновую корку») после тяжелой холодной формовки из-за более крупного размера зерен.

Какой сплав следует выбрать для обычных компонентов печи и печи?

Источник: Общее руководство по выбору, основанное на документированных свойствах сплавов и общепринятой практике промышленных печей. Выбор конкретного компонента-должен учитывать фактический химический состав атмосферы, номинальное давление, частоту термоциклирования и применимые нормы проектирования.

Часто задаваемые вопросы

Вопрос: Могут ли 310S и Incoloy 800H взаимозаменяемо использоваться в одной печи?

О: Обычно нет. Они имеют разную степень теплового расширения и разное поведение при ползучести, поэтому их смешивание в одном сварном узле под нагрузкой может создать дифференциальное напряжение. Если оба сплава обрабатываются в одной печи, они обычно используются в отдельных, независимо поддерживаемых компонентах -, например корпусе из 310S с внутренними трубками из Incoloy 800H.

Вопрос: Incoloy 800 — это то же самое, что Incoloy 800H или 800HT?

О: Нет. Стандартный Incoloy 800 (UNS N08800) допускает более широкий диапазон углерода и не требует крупнозернистого, высокотемпературного-отжига в растворе, что придает 800H (UNS N08810) и 800HT (UNS N08811) превосходную прочность на разрыв при ползучести-. В текущих спецификациях печей и технологических-нагревателей модели 800H и 800HT в значительной степени заменили стандартную модель 800.

Вопрос: Требуется ли для 310S термообработка после-сварки?

О: Не для коррозионной стойкости в большинстве печей, поскольку 310S — это марка с низким-углеродом и хорошей стойкостью к сенсибилизации, связанной со сваркой-. Если оборудование будет эксплуатироваться в течение длительного срока службы в сигма--фазе-диапазоне формования, то подходящей корректирующей обработкой, а не рутинным требованием после-сварки, будет периодический отжиг на раствор -, а не снятие напряжений -.

Вопрос: Каков практический предел температуры для непрерывной работы 310S?

О: Приблизительно 2000 градусов F (1093 градуса) для непрерывной окислительной эксплуатации, с оговоркой, что оборудование, проходящее диапазон температур 1 200–1 650 градусов F (650–900 градусов), неоднократно подвергается со временем сигма-фазовому охрупчиванию и должно подвергаться периодическому повторному-отжигу.

Вопрос: Почему содержание никеля так важно для устойчивости к науглероживанию?

Ответ: Углерод очень плохо растворяется в никеле и диффундирует в него медленнее, чем в железо или хром. Поскольку Incoloy 800H содержит примерно 30–35% никеля по сравнению с примерно 19–22% для 310S, углерод проникает в его поверхность медленнее при одинаковых условиях цементации, что является основной причиной того, что 800H превосходит нержавеющие стали семейства 310 в атмосфере печи цементации.