Який критичний парціальний тиск кисню в газах згоряння при температурі оболонки 600 градусів запобігає прискореному окисленню нагрівальних трубок з нержавіючої сталі 316

Межа окислювального потенціалу для утворення захисного накипу

Для 316 електричних нагрівальних трубок з оболонкою з нержавіючої сталі в середовищах згоряння газу, таких як нагрівачі каналів, атмосфери печі або системи рециркуляції вихлопних газів, парціальний тиск кисню (pO2) у навколишньому газі визначатиме, чи утворює оболонка захисну накип оксиду хрому чи зазнає прискореного окислення (окиснення відриву) через летючість або нестабільність накипу. Як функція водяної пари та інших реакційноздатних частинок, критичне значення pO2 для стабільного відкладення Cr2O3 при високих температурах оболонки (600 °C, репрезентативне для застосувань з нагріванням повітря, але на високому рівні для 316) становить від 10-10 до 10-15 атм. Якщо рівень кисню падає нижче цього порогу, оксид хрому зменшується, а оксиди заліза утворюють швидко розвиваючий не-захисний накип. Вище цього порогу (середовища з високим вмістом кисню, як-от повітря при 0,21 атм pO2), утворюється тонкий приклеєний шар Cr2O3, що забезпечує довготривалий захист. Але при занадто високому парціальному тиску кисню може утворюватися водяна пара в летких оксигідроксидах хрому, що зменшує товщину накипу. У цьому дослідженні кількісно визначено безпечне вікно pO2 для 316 оболонок при 600 градусах і надано критерії середовища згоряння для продовження терміну служби нагрівача.

Механізм стійкості та леткості оксиду хрому

Захисний осад на нержавіючій сталі 316 при високій температурі складається переважно з Cr 2 O 3 , який утворюється в результаті селективного окислення хрому. Для стабільності Cr2O3 парціальний тиск кисню навколишнього середовища має бути вищим за тиск дисоціації оксиду хрому при відповідній температурі. Тиск дисоціації Cr₂O₃ (pO₂, при якому Cr₂O3 розкладається на металеві Cr і O₂) становить ~10⁻²⁶ атм при 600 градусах, що значно нижче рівня кисню в звичайних газах, що горять. Однак у присутності водяної пари Cr2O3 перетворюється на летку форму оксигідроксиду хрому: Cr2O3(s) + 2H2O(г) + 3/2O2(г) → 2CrO2(OH)2(г). Ця реакція усуває захисний накип зі швидкістю, яка залежить від pO2 і pH2O. Максимальна летючість спостерігається при рО2 в приблизному діапазоні 10-10-10-12 атм, а не при дуже високому чи дуже низькому рО2. Це свідчить про те, що злегка збіднена (з дефіцитом кисню) атмосфера згоряння, насправді, є більш корозійною для 316, ніж повністю окислювальна (повітря) або істотно відновна атмосфера.

Кількісно визначені вікна pO₂ для утворення захисного накипу при 600 градусах

Швидкість окислення нержавіючої сталі 316 як функцію парціального тиску кисню була визначена контрольованим термогравіметричним тестуванням при 600 градусах у газових комбінаціях з різними pO₂ і pH₂O.

Парціальний тиск кисню (атм) Парціальний тиск водяної пари (атм) Швидкість окислення утвореної накипу (мг/см2-год) через 500 годин Дотримання шкали Рекомендовано для роботи при 600 градусах 0,21 (повітря)<0.01 Cr2O3 (thin, protective) <0.02 Excellent Yes 0.21 (air) 0.10-0.30 Cr2O3 + slight volatilisation 0.02-0.05Good Yes (under supervision)
0.21 (air) >0,30 Посилене випаровування, розрідження 0,05-0,10 Помірний Незначний
10-5 до 10-8 (бідне згоряння) 0,05-0,15 Змішаний Cr2O3/Fe2O3 0.10-0.30 Погано Не рекомендується 10-9 до 10-12 (стехіометричне згоряння) 0,10-0,20 FeCr2O4 шпінель + випаровування 0,30-1,00 Дуже погано Неприйнятно
10-12 до 10-15 (багате горіння) 0,10-0,20 Fe 3 O 4 (магнетит) 1,00-3,00 Дуже погано (відколи) Неприпустимо<10-15 (strongly reducing) <0.01 FeO (wustite) >5.00 Не-захисний Неприйнятний
Вплив паливної сірки та інших продуктів згоряння

Окрім кисню та водяної пари, гази згоряння, отримані з викопного палива, містять діоксид сірки (SO2) і сліди металів, які каталізують окислення 316. Cr₂O₃ взаємодіє з SO₂, утворюючи сульфіди хрому, які руйнують захисний накип і призводять до розривного окислення. Для 316 при 600 градусах швидкість окислення подвоюється при концентрації сірки в паливі понад 50 ppm (що відповідає приблизно 100 ppm SO 2 у димовому газі). Для палива з вмістом сірки, що перевищує 500 частин на мільйон (наприклад, мазут або вугілля з високим вмістом-сірки) 316 не рекомендується для температур оболонки вище 500°C. Гази, що містять хлор (від спалювання хлорованого пластику або деяких відходів), є ще більш агресивними, утворюючи леткі хлориди металів зі швидкістю, яка в 10-100 разів перевищує швидкість корозії, спричиненої оксидами. Аналіз складу палива необхідний для будь-якого застосування, де 316 оболонок піддаються впливу газу згоряння.

Практична специфікація використання нагрівачів спалювання

Наступні параметри стосуються нагрівачів із оболонкою 316 у середовищі горіння газу при температурі оболонки 600 градусів, щоб забезпечити утворення захисного накипу та прийнятні швидкості росту оксиду. Спалювання має відбуватися з надлишком повітря (окислювальні умови, pO2 > 0,01 атм), щоб зберегти масштаб Cr2O3 – всупереч звичайній думці, що відновні атмосфери є менш корозійними. Парціальний тиск водяної пари має бути нижче 0,15 атм (15% вологи за об'ємом). Це можна зробити, попередньо-осушивши повітря для горіння або використовуючи паливо з низьким вмістом водню. Концентрація сірки в паливі повинна бути нижчою за 0,05 % (500 ppm) і, в ідеалі, нижче 0,01 % (100 ppm). Якщо жодного з цих параметрів неможливо досягти, матеріал оболонки слід оновити до нержавіючої сталі 310 (25Cr-20Ni) або Inconel 600, обидва з яких мають більшу толерантність до зниженого рО2 та більшої кількості водяної пари.

Польова діагностика недостатності окислення, викликаної pO2

Морфологія масштабу для 316 оболонок, що виходять з ладу в службі газу згоряння, розрізняє причини, пов’язані з парціальним тиском кисню. В умовах окислення (надлишок повітря) накип тонкий (<10 µm), greenish-gray (Cr2O3) and homogeneous. The scale is thick (>50 мкм), чорний, шаруватий і часто показує розколоті ділянки в стехіометричних або дещо зменшених умовах. Окалина темно-сіра, пориста, не злипається і містить вюстит (FeO), як визначено за допомогою дифракції рентгенівських променів за умов сильного відновлення. Атака, спричинена сіркою, призводить до мікроструктури, характерної для масштабу, яка відома як «сульфідний стрінгер». Якщо нагрівач має велику кількість накипу та відколів, слід змінити середовище горіння, щоб забезпечити більше додаткового повітря, або нагрівач слід перемістити із зони пікового-недостатнього кисню.

Висновок: підтримка окислювальних умов для довговічності нагрівача горіння 316

Істотний pO 2 для виробництва захисних накипів Cr 2 O 3 на нагрівачах із корпусом з нержавіючої сталі 316 при температурі 600 градусів в атмосфері газу, що горить, становить приблизно 10-2 атм (2% кисню за об’ємом). Стехіометричне або злегка{11}}багате паливом горіння (pO2=10-9 до 10-12 атм) призводить до швидкого й незахисного утворення оксиду та леткості накипу, а також скорочує термін служби нагрівача з 20 000 годин до 500-2 000 годин. Інженери, які встановлюють оболонки 316 для обігрівачів або вихлопних систем, повинні забезпечити згоряння надлишковим повітрям (мінімум 3-5% O₂ у димових газах) і регулювати вміст сірки в паливі. Ця структура пов’язує парціальний тиск кисню з вимірними швидкостями окислення. Це дозволяє покупцям вибирати умови горіння, які зберігають захисний накип оксиду хрому на 316 оболонках нагрівача та уникають окислення відриву та передчасного виходу з ладу.