310S vs Incoloy 800: selezione-di leghe resistenti al calore per applicazioni in fornaci e forni

Introduzione

Gli ingegneri di fornaci e di lavorazione termica-si trovano spesso di fronte alla stessa decisione relativa ai materiali: specificare un acciaio inossidabile-resistente al calore-economico o passare a una lega di nichel-ferro-cromo costruita per una resistenza sostenuta alle alte-temperature.Acciaio inossidabile 310Se Incoloy 800 (comprese le varianti 800H e 800HT) sono i due candidati più comunemente confrontati per questa decisione. Entrambi resistono all'ossidazione ad alta temperatura, entrambi sono facilmente fabbricabili e saldabili ed entrambi compaiono abitualmente negli sportelli dei forni, nelle muffole, nei tubi radianti e negli impianti di trattamento termico-.

Le loro prestazioni, tuttavia, divergono nettamente quando entrano in gioco atmosfere cementanti, carico meccanico sostenuto o lunghi intervalli di manutenzione. Questo articolo mette a confronto le due leghe in termini di composizione, resistenza alla temperatura, resistenza all'ossidazione e alla carburazione, resistenza allo scorrimento-alla rottura, requisiti di fabbricazione e costo totale di proprietà, in modo che ingegneri e acquirenti possano abbinare la lega all'applicazione anziché il contrario.

Cosa distingue metallurgicamente il 310S dall'Incoloy 800?

La differenza di composizione è la causa principale di ogni differenza di prestazioni a valle discussa in questo articolo.. 310S ha il cromo come elemento di lega primario e il nichel come stabilizzante secondario dell'austenite, motivo per cui è classificato come acciaio inossidabile piuttosto che come lega di nichel. Incoloy 800 inverte questo rapporto: il nichel è l'aggiunta principale della lega, il cromo è secondario e il ferro costituisce l'equilibrio anziché essere il metallo di base. Il contenuto di nichel più elevato è ciò che conferisce alle leghe della serie 800- la loro resistenza alla diffusione del carbonio e la loro resistenza alla temperatura; ma il nichel è anche la materia prima più costosa, motivo per cui i prodotti della serie Incoloy 800 comportano un sovrapprezzo persistente rispetto a 310S.

Fonte: ASTM A240/A480 (310S); Specifiche della fresatrice ASTM B407/B408/B409 e UNS N08810 (Incoloy 800H). Gli intervalli sono limiti di specifica nominali; verificare rispetto all'attuale rapporto di prova del mulino.

Altri due dettagli sulla composizione sono importanti per il servizio del forno. Innanzitutto, il 310S è una variante a basso-carbonio del grado standard 310 (che consente fino allo 0,25% di carbonio); il minor contenuto di carbonio nel 310S migliora la resistenza alla sensibilizzazione e alla corrosione intergranulare dopo la saldatura. In secondo luogo, Incoloy 800H è esso stesso una variante con-carbonio controllato,-granulometria-controllata dell'Incoloy 800 di base, e Incoloy 800HT rafforza ulteriormente la gamma di alluminio-più-titanio - entrambi i perfezionamenti esistono specificatamente per aumentare la resistenza al creep-alla rottura per i forni e i riscaldatori di processo-, che è discusso nella sezione 4.

Quale lega resiste a temperature operative continue più elevate?

Il 310S è comunemente classificato per resistenza all'ossidazione continua fino a circa 2.000 gradi F (1.093 gradi ) e per servizio intermittente o leggermente ciclico fino a un intervallo simile, grazie al suo elevato contenuto di cromo. Il limitatore pratico per 310S nelle fornaci e nel servizio dei forni non è la scala di ossido - è la formazione della fase sigma-. Dopo un'esposizione prolungata tra circa 1.200 gradi F e 1.650 gradi F (650-900 gradi), gli acciai inossidabili della famiglia 310- possono formare una fragile fase sigma intermetallica che riduce la tenacità e la duttilità a temperatura ambiente. Le apparecchiature che attraversano ripetutamente questa fascia di temperatura, come le porte dei forni e i componenti dei bruciatori, sono più esposte a questo effetto rispetto alle apparecchiature che funzionano continuamente al massimo dell'intervallo di temperatura.

Incoloy 800He 800HT sono progettati per un servizio a lungo-termine fino a circa 2.000 gradi F (1.093 gradi ), con escursioni di breve-durata possibili al di sopra di tale temperatura, a costo di una perdita di resistenza accelerata e di ossidazione. Poiché le leghe della serie 800-sono solubilizzate-a una temperatura minima di 2.100 gradi F (1.149 gradi ) per produrre una struttura a grana più grossolana e resistente allo scorrimento-e poiché il loro contenuto di nichel più elevato sopprime lo stesso meccanismo di fase sigma che interessa il 310S, tendono a mantenere duttilità e tenacità utilizzabili in una porzione più ampia dell'intervallo operativo del forno, anche attraverso ripetuti cicli termici.

Quale lega offre una migliore resistenza alle atmosfere ossidanti e cementanti?

La resistenza all'ossidazione in entrambe le leghe deriva principalmente dal cromo, che forma una scaglia protettiva di ossido di cromo-ad alta temperatura. 310S in realtà trasporta più cromo dell'Incoloy 800H (circa il 25% contro circa il 21%), motivo per cui il 310S rimane un prodotto forte ed economico in atmosfere ossidanti pulite come forni ad aria, rivestimenti di forni e hardware di bruciatori.

La resistenza alla carburazione è un meccanismo diverso, ed è qui che le due leghe divergono più nettamente. Il trasferimento del carbonio nella superficie metallica da un'atmosfera ricca di carbonio- dipende fortemente dal contenuto di nichel, poiché il nichel ha una solubilità molto bassa per il carbonio e ne rallenta la diffusione verso l'interno. I dati sul campo sui tubi 800H nel servizio di lavorazione degli idrocarburi-di cementazione mostrano che la lega conserva duttilità e integrità strutturale dopo anni di esposizione, in condizioni in cui gli acciai inossidabili della famiglia 310- di nichel inferiore-carburano in modo misurabilmente più veloce. Questo è il motivo principale per cui Incoloy 800H è il materiale preferito per i tubi di pirolisi dell'etilene, i componenti dei forni per il cracking degli idrocarburi, i cestelli e gli impianti per il trattamento termico sottoposti a ripetuti cicli di cementazione.

I confronti pubblicati sui tassi di corrosione-negli ambienti dei forni delle raffinerie illustrano il divario: le leghe Incoloy 800H/800HT sono state misurate a circa 0,15 mm/anno (6,0 mpy), contro circa 0,23 mm/anno (8,9 mpy) per l'acciaio inossidabile della famiglia 310 in condizioni comparabili. Un tasso di corrosione inferiore si traduce direttamente in una maggiore durata dei componenti e in meno interruzioni non pianificate per ispezioni o sostituzioni.

Come si confrontano la resistenza al creep e alla sollecitazione-alla rottura a temperature elevate?

Il creep è la lenta deformazione-dipendente dal tempo del metallo sotto carico sostenuto ad alta temperatura, mentre la resistenza alla rottura da stress-descrive la quantità di stress che un materiale può sopportare prima di fratturarsi dopo un determinato numero di ore di servizio. Questa proprietà è importante per qualsiasi componente del forno che è sotto carico mentre è caldo - un tubo radiante sotto pressione interna, un supporto refrattario di supporto o una bobina in un forno di pirolisi - in contrapposizione ai componenti che sono semplicemente esposti al calore senza carico meccanico significativo, come un rivestimento o uno schermo della muffola.

Il 310S offre una moderata resistenza allo scorrimento-alla rottura, adeguata per componenti con carichi leggeri. Incoloy 800H e 800HT sono stati sviluppati specificatamente per estendere la durata alla rottura da scorrimento-oltre quanto offerto dagli acciai inossidabili standard della famiglia 800 o 310-, attraverso un contenuto di carbonio controllato (0,05–0,10%) e una solubilizzazione di grana grossa-a una temperatura minima di 2.100 gradi F (1.149 gradi ). Incoloy 800HT rafforza ulteriormente le specifiche di alluminio-e-titanio, per applicazioni che richiedono la massima durata pratica in condizioni di stress prolungato ad alta temperatura, come tubi di forni di etilene e bobine di pirolisi.

Fonte: compilato in base ai dati delle specifiche ASTM A240/B407/B409 e pubblicato studi sulla velocità di corrosione ad alta temperatura-e sulle proprietà meccaniche-per 310/310H e Incoloy 800H/800HT nel servizio di raffineria e fornace. Verificare i valori consentiti di progettazione rispetto all'attuale ASME Sezione II Parte D o all'edizione del codice applicabile prima della specifica finale.

Qual è la differenza di costo e quando è giustificato il premio?

Il nichel è costantemente il principale fattore che determina il prezzo dell'extra lega per entrambi i materiali, ma Incoloy 800H/HT trasporta circa il 50% in più di nichel in peso rispetto al 310S, e il nichel viene generalmente scambiato a un multiplo significativo del cromo e del ferro che costituiscono la maggior parte del contenuto di lega del 310S. Ciò rende le leghe della serie 800-l'acquisto più costoso su base per-libbra o per-piede lineare, prima ancora che venga presa in considerazione la fabbricazione.

Il quadro decisionale che segue dal confronto tecnico di cui sopra è semplice. Specificare 310S quando il componente è esposto a un'atmosfera ossidante pulita, carico meccanico leggero o assente e aspettative di vita di servizio moderate- - involucri di forni, porte, ventole e scudi non-portanti-sono soluzioni comuni. Specificare Incoloy 800H o 800HT quando il componente è sottoposto a carico sostenuto a temperatura, esposto ad un'atmosfera di cementazione o solforazione o quando il costo di un arresto non pianificato per sostituire un componente guasto supera sostanzialmente il costo del materiale. - Tubi radianti,-componenti di riscaldatori di processo, bobine di cracking dell'etilene e dispositivi di trattamento termico-con lunghi cicli di cementazione sono soluzioni comuni.

In che cosa differiscono i requisiti di fabbricazione, saldatura e trattamento termico?

Il 310S viene solubilizzato-nell'intervallo di 1.900–2.100 gradi F (1.030–1.150 gradi ) seguito da un rapido raffreddamento, che rimette i carburi in soluzione e massimizza la resistenza alla corrosione. Se le apparecchiature della famiglia 310- hanno subito un servizio prolungato a temperature superiori a 1.200 gradi F (650 gradi ) e si è formata la fase sigma, la duttilità può generalmente essere ripristinata con lo stesso ciclo di ricottura-della soluzione; una ricottura dopo circa ogni 1.000 ore di servizio a temperature superiori a 1.200 gradi F è un intervallo di manutenzione comunemente citato per le apparecchiature soggette alla formazione di sigma.

Incoloy 800H e 800HT richiedono una solubilizzazione a una temperatura minima di 2.100 gradi F (1.149 gradi ) - notevolmente superiore alla ricottura utilizzata per 310S - specificatamente per produrre una struttura a grana più grossa (tipicamente ASTM granulometria n.. 5 o più grossolana) che migliora la resistenza allo scorrimento viscoso-alla rottura. Entrambe le leghe sono saldabili mediante processi standard ad arco di tungsteno a gas e ad arco di metallo schermato con metallo d'apporto corrispondente o quasi-corrispondente, ed entrambe sono formate convenzionalmente a freddo-, sebbene le leghe della serie 800 possano mostrare una caratteristica struttura superficiale ("buccia d'arancia") dopo la formatura a freddo pesante a causa della loro dimensione della grana più grossolana.

Quale lega dovresti specificare per i forni comuni e i componenti del forno?

Fonte: guida generale alla selezione basata sulle proprietà documentate delle leghe e sulla pratica comune di fornaci/forni industriali. La selezione specifica del componente- deve tenere conto della chimica effettiva dell'atmosfera, della pressione nominale, della frequenza dei cicli termici e del codice di progettazione applicabile.

Domande frequenti

D: È possibile utilizzare in modo intercambiabile 310S e Incoloy 800H nello stesso forno?

R: Non in genere. Hanno tassi di espansione termica e comportamenti di scorrimento diversi, quindi mescolarli in un unico gruppo saldato sotto carico può creare stress differenziali. Laddove entrambe le leghe compaiono nello stesso forno, vengono generalmente utilizzate in componenti separati e supportati in modo indipendente - ad esempio, un guscio 310S con tubi interni Incoloy 800H.

D: Incoloy 800 è uguale a Incoloy 800H o 800HT?

R: No. L'Incoloy 800 standard (UNS N08800) consente una gamma di carbonio più ampia e non supporta la ricottura in soluzione a grana grossa, ad alta-temperatura che conferisce a 800H (UNS N08810) e 800HT (UNS N08811) la loro resistenza superiore allo scorrimento-alla rottura. Nelle specifiche attuali dei forni e dei riscaldatori di processo-, 800H e 800HT hanno ampiamente sostituito lo standard 800.

D: Il 310S richiede un trattamento termico post-saldatura?

R: Non per la resistenza alla corrosione nella maggior parte delle applicazioni in forni, poiché il 310S è un grado a basso-carbonio con buona resistenza alla sensibilizzazione-correlata alla saldatura. Se l'apparecchiatura vedrà un servizio esteso nell'intervallo di formatura della-fase-sigma, una ricottura periodica della soluzione - e non un sollievo dallo stress - è il trattamento correttivo appropriato, non un requisito post-di saldatura di routine.

D: Qual è il limite pratico di temperatura per il servizio continuo del 310S?

R: Circa 2.000 gradi F (1.093 gradi) per un servizio ossidante continuo, con l'avvertenza che l'attrezzatura che attraversa l'intervallo di 1.200-1.650 gradi F (650-900 gradi) ripetutamente è esposta all'infragilimento della fase sigma-nel tempo e deve essere valutata per una ricottura periodica-.

D: Perché il contenuto di nichel è così importante per la resistenza alla carburazione?

R: Il carbonio ha una solubilità molto bassa nel nichel e si diffonde in esso più lentamente che nel ferro o nel cromo. Poiché Incoloy 800H trasporta circa il 30-35% di nichel contro circa il 19-22% del 310S, il carbonio penetra nella sua superficie più lentamente in condizioni di cementazione identiche, che è la ragione principale per cui l'800H supera gli acciai inossidabili della famiglia 310 nelle atmosfere dei forni di cementazione.