Hvilket kritisk partialtrykk av oksygen i forbrenningsgasser ved 600 graders kappetemperatur forhindrer akselerert oksidasjon av 316 varmerør i rustfritt stål

Grense for oksidasjonspotensial for dannelse av beskyttende avleiringer

For 316 rustfritt stål mantel elektriske varmerør i forbrenningsgassmiljøer som kanalvarmere, ovnsatmosfærer eller eksosgassresirkuleringssystemer, vil partialtrykket av oksygen (pO2) i den omkringliggende gassen avgjøre om kappen danner en beskyttende kromoksidskala eller opplever akselerert oksidasjon (utskillelse til oksidasjon) Som en funksjon av vanndamp og andre reaktive arter er den kritiske pO2 for en stabil Cr2O3-skala ved høye manteltemperaturer (600 grader C, representativt for luftoppvarmingsapplikasjoner, men i den høye enden for 316) i størrelsesorden 10-10 til 10-15 atm. Hvis oksygennivået faller under denne terskelen, reduseres kromoksidet og jernoksidene danner en raskt utviklende ikke-{18}}beskyttende skala. Over denne terskelen (oksygenrike miljøer som luft ved 0,21 atm pO2), utvikles et tynt klebende Cr2O3-lag som gir langsiktig beskyttelse. Men med for mye oksygenpartialtrykk kan det dannes vanndamp i flyktige kromoksyhydroksider, noe som reduserer tykkelsen på skalaen. I denne studien kvantifiseres sikkert pO2-vindu for 316 hylster ved 600 grader, og kriterier for forbrenningsmiljø for forlengelse av varmeapparatets levetid er gitt.

Mekanisme for stabilitet og flyktighet av kromoksid

Den beskyttende skalaen på 316 rustfritt stål ved høy temperatur er for det meste Cr 2 O 3 , som dannes ved selektiv oksidasjon av krom. For stabiliteten til Cr2O3 må det omgivende oksygenpartialtrykket være høyere enn dissosiasjonstrykket til kromoksid ved den aktuelle temperaturen. Dissosiasjonstrykket til Cr₂O3 (pO₂ ved hvilken Cr₂O₃ spaltes til metallisk Cr og O₂) er ~10⁻²⁶ atm ved 600 grader, godt under oksygennivåene til normale forbrenningsgasser. Men i nærvær av vanndamp omdannes Cr2O3 til en flyktig form av kromoksyhydroksid: Cr2O3(s) + 2H2O(g) + 3/2O2(g) → 2CrO2(OH)2(g). Denne reaksjonen eliminerer den beskyttende skalaen i et tempo avhengig av pO2 og pH2O. Maksimal flyktighet oppstår ved pO2 i det omtrentlige området 10-10-10-12 atm, i stedet for ved veldig høy eller veldig lav pO2. Dette antyder at litt magre (oksygenmangel) forbrenningsatmosfære faktisk er mer etsende til 316 enn enten fullstendig oksiderende (luft) eller vesentlig reduserende atmosfærer.

Kvantifiserte pO₂-vinduer for dannelse av beskyttende skala ved 600 grader

Oksydasjonshastigheten til 316 rustfritt stål som en funksjon av oksygenpartialtrykket er bestemt ved kontrollert termogravimetrisk testing ved 600 grader i gasskombinasjoner av forskjellige pO2 og pH2O.

Oksygenpartialtrykk (atm) Vanndamppartialtrykk (atm) Skala dannet oksidasjonshastighet (mg/cm2-t) etter 500 timer Skalavedheft Anbefalt for 600 graders service 0,21 (luft)<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 Forbedret volatilisering, uttynning 0,05-0,10 Moderat Marginal
10-5 til 10-8 (mager forbrenning) 0,05-0,15 Blandet Cr2O3/Fe2O3 0.10-0.30 Dårlig Anbefales ikke 10-9 til 10-12 (støkiometrisk forbrenning) 0,10-0,20 FeCr2O4 spinell + veratilisering dårlig 10.030 dårlig akseptabel 10.
10-12 til 10-15 (rik forbrenning) 0,10-0,20 Fe 3 O 4 (magnetitt) 1,00-3,00 Svært dårlig (spalls) Uakseptabelt<10-15 (strongly reducing) <0.01 FeO (wustite) >5.00 Ikke-beskyttende Uakseptabelt
Effekten av svovel og andre forbrenningsprodukter

I tillegg til oksygen og vanndamp, inneholder forbrenningsgassene som stammer fra fossilt brensel svoveldioksid (SO2) og spormetaller som katalyserer oksidasjon 316. Cr₂O₃ interagerer med SO₂ for å produsere kromsulfider, som bryter ned den beskyttende belegget og fører til utbrytende oksidasjon. For 316 ved 600 grader dobles oksidasjonshastigheten med en svovelkonsentrasjon i drivstoffet på mer enn 50 ppm (tilsvarer ca. 100 ppm SO 2 i røykgassen). For drivstoff med svovel over 500 ppm (f.eks. høy{12}}brenselolje eller kull med høyt svovelinnhold, anbefales ikke 316 for kappetemperaturer over 500oC. Klorholdige forbrenningsgasser (fra brenning av klorert plast eller noe avfall) er enda mer aggressive, og produserer flyktige metallklorider med hastigheter 10-100 ganger høyere enn oksidbasert korrosjon. Drivstoffsammensetningsanalyse er nødvendig for alle bruksområder der 316 kappe er utsatt for forbrenningsgassstøt.

Praktisk spesifikasjon for bruk av forbrenningsovner

Følgende parametere er for 316 mantelvarmere i forbrenningsgassmiljøer ved 600 grader manteltemperatur for å sikre produksjon av en beskyttende skala og akseptable oksidveksthastigheter. Forbrenningen må utføres med overflødig luft (oksiderende omstendigheter, pO2 > 0,01 atm) for å beholde Cr2O3-skalaen – i motsetning til den vanlige oppfatningen om at reduserende atmosfærer er mindre korrosive. Vanndampens partialtrykk må holdes under 0,15 atm (15 % fuktighet i volum). Dette kan gjøres ved å forhåndstørke forbrenningsluften eller bruke et drivstoff med lavt hydrogeninnhold. Drivstoffet bør ha en svovelkonsentrasjon lavere enn 0,05 % (500 ppm) og ideelt sett lavere enn 0,01 % (100 ppm). Hvis noen av disse parameterne ikke kan nås, bør mantelmaterialet oppgraderes til 310 rustfritt stål (25Cr-20Ni) eller Inconel 600, som begge har større toleranse for redusert pO2 og høyere vanndamp.

Feltdiagnose av oksidasjonssvikt indusert av pO2

Skalamorfologien for 316 kapper som svikter i forbrenningsgass, skiller mellom årsaker knyttet til oksygenpartialtrykk. Under oksiderende forhold (overflødig luft) er belegget tynn (<10 µm), greenish-gray (Cr2O3) and homogeneous. The scale is thick (>50 µm), svart, lagdelt og viser ofte flassete områder under støkiometriske eller svakt reduserende forhold. Skalaen er mørkegrå, porøs, ikke-adherent og inneholder wustitt (FeO) som bestemt via røntgendiffraksjon under sterkt reduserende omstendigheter. Angrepet generert av svovel resulterer i en mikrostruktur som er karakteristisk for skalaen som er kjent som "sulfidstringer". Hvis varmeren har store avleiringer og avskalling, bør forbrenningsmiljøet endres for å gi mer ekstra luft, eller varmeren bør flyttes ut av den høyeste oksygen-sonen.

Konklusjon: Opprettholde oksiderende betingelser for 316 forbrenningsvarmerens levetid

Den essensielle pO 2 for produksjon av beskyttende Cr 2 O 3-skala på 316 varmeovner med rustfritt stål ved 600 grader i forbrenningsgassatmosfære er over rundt 10 -2 atm (2 % oksygen i volum). Den støkiometriske eller lett{11}}rike forbrenningen (pO2=10-9 til 10-12 atm) fører til rask og ikke-beskyttende oksidutvikling og avleiringsflyktighet, og reduserer varmerens levetid fra 20 000 timer til 500-2000 timer. Ingeniører som spesifiserer 316 kapper for fyrte varmeovner eller eksosapplikasjoner må sikre at forbrenningen kjøres i overskuddsluft (minimum 3-5 % O₂ i røykgass) og at svovelinnholdet i drivstoffet er regulert. Dette rammeverket forbinder partialtrykket av oksygen med målbare oksidasjonshastigheter. Den lar kjøpere velge forbrenningsforhold som bevarer den beskyttende kromoksydskalaen på 316 varmekapper og unngår utbrytende oksidasjon og for tidlig feil.