Ở mức độ kết hợp cụ thể nào giữa tần số chu kỳ nhiệt và nhiệt độ cao nhất, vỏ bọc bằng thép không gỉ 1,0 milimét 316 có phát triển sự phá hủy oxit giúp tăng tốc độ mỏng của tường đồng nhất trong dịch vụ sưởi ấm không khí tuần hoàn?

Đối với các kỹ sư chế tạo lò sưởi ngâm điện cho lò nướng công nghiệp, lò sưởi ống dẫn khí và buồng luân chuyển nhiệt, việc sản xuất và phân hủy cặn oxit trên bề mặt vỏ thép không gỉ 316 là một cơ chế làm mỏng thành tiến bộ nhưng có thể dự đoán được. Khi rỗ hoặc ăn mòn tích cực gây ra hư hỏng cục bộ, sự bong tróc oxit sẽ thúc đẩy sự mất mát vật liệu đồng nhất trên toàn bộ bề mặt được gia nhiệt. Mỗi chu trình nhiệt tạo ra một lớp phủ nhỏ oxit giàu crom. Cuối cùng, lớp oxit sẽ trở nên quá dày và nó sẽ bong ra. Điều này là do lớp oxit có độ giãn nở nhiệt khác với kim loại, và lớp oxit bị nứt và bong ra khiến kim loại tươi bị oxy hóa. Quá trình này đặc biệt dễ xảy ra đối với vỏ bọc có độ dày thành 1,0 mm, vì độ mỏng đồng đều nhỏ có thể làm giảm đáng kể tính toàn vẹn của cấu trúc. Bài viết này thiết lập các điều kiện chính xác của tần số chu kỳ nhiệt và nhiệt độ cao nhất mà tại đó sự phân tách oxit tăng tốc đến mức làm giảm tuổi thọ vỏ bọc xuống mức không thể chấp nhận được đối với hoạt động công nghiệp.

Động học của sự phát triển và nứt vỡ oxit trên thép không gỉ 316L
Động học oxy hóa của thép không gỉ 316 trong không khí tuân theo định luật parabol: độ dày oxit tăng theo căn bậc hai của thời gian ở nhiệt độ. Ở 600°C, độ dày oxit là khoảng 2 micron sau 100 giờ và khoảng 5 micron sau 1.000 giờ. Độ dày tương tự đạt được sau 20 giờ và 200 giờ tương ứng ở 700°C. Ở 800°C, oxit là 5 micron trong 50 giờ. Độ dày oxit tới hạn đối với sự nứt vỡ trong chu trình nhiệt là hàm số của chênh lệch nhiệt độ trong mỗi chu kỳ. Đối với sự dao động nhiệt độ 500°C (ví dụ từ 200°C đến 700°C), sự vỡ vụn bắt đầu xảy ra khi độ dày oxit khoảng 3–4 micron. Đối với dao động ở nhiệt độ 700°C (ví dụ từ 100°C đến 800°C), sự vỡ vụn bắt đầu ở mức 2-3 micron. Mỗi sự kiện va đập sẽ loại bỏ 1–3 micron kim loại khỏi bề mặt vỏ bọc, vì lớp oxit chứa kim loại khỏi chất nền. Vỏ bọc 1,0 mm chịu 100 lần va đập có thể mất 0,1–0,3 mm độ dày thành tương ứng với 10–30% vật liệu ban đầu. Trong dịch vụ theo chu kỳ với sự nứt vỡ trong 100-500 chu kỳ, lớp vỏ 1,0 mm có thể đạt được độ dày kết cấu tối thiểu (0,5 mm) sau 500-2.000 chu kỳ, tức là. 1-5 năm sử dụng với một chu kỳ mỗi ngày.

Ngưỡng tới hạn cho sự vỡ vụn tăng tốc trong vỏ bọc 1,0 mm Thử nghiệm lò có kiểm soát đối với các mẫu vỏ bọc 1,0 mm 316 trong cài đặt làm nóng không khí theo chu kỳ xác định các ngưỡng cụ thể mà tại đó sự vỡ vụn tăng tốc đến mức không thể chấp nhận được. Không thể chấp nhận: độ mỏng thành nhất quán > 0,05mm trên 1000 chu kỳ. (Điều này sẽ giảm vỏ bọc 1,0mm xuống 0,7mm sau 6000 chu kỳ, tức là khoảng 5 năm với 3 chu kỳ mỗi ngày).

Chu kỳ cao điểm Nhiệt độ dao động trên mỗi chu kỳ Chu kỳ đến vết nứt đầu tiên Độ dày oxit ở vết nứt tường Độ mỏng trên mỗi sự kiện vết nứt Chu kỳ đến 0,7 mm Tường còn lại (mất 30%) 500 độ 400 độ (100 độ đến 500 độ ) 2.000 – 3,000 5 – 6 micron 1 – 2 micron 15.000 – 30,{16}} độ 500 độ (100 độ đến 600 độ ) 500 – 800 4 – 5 micron 2 – 3 micron 3.000 – 6,000 650 độ 550 độ (100 độ đến 650 độ ) 200 – 400 3 – 4 micron 2 – 4 micron 1.500 – 3,000 700 độ 600 độ (100 độ đến 700 độ ) 100 – 200 3 – 4 micron 3 – 5 micron 800 – 1,500 750 độ 650 độ (100 độ đến 750 độ ) 50 – 100 2 – 3 micron 4 – 6 micron 400 – 800 800 độ 700 độ (100 độ đến 800 độ ) 20 – 50 2 – 3 micron 5 – 8 micron 200 – 400
For 1.0 mm sheath, peak temperature 650°C and 3 cycles per day (approximately 1,000 cycles per year), spallation would result in a wall thickness reduction of 0.02–0.04 mm/year, leaving the sheath at 0.7 mm after 5–8 years. This may be tolerable for many purposes. At 750°C peak, the same cycle frequency accelerates the thinning to 0.05–0.10 mm/year, resulting in a life of 2–4 years. At 800°C peak, life is 1–2 years. The essential threshold for undesirable spallation (wall thinning >0.05 mm per 1000 cycles) is at around 700°C peak temperature with cycles >Xoay 300 độ. Trên ngưỡng này, vỏ bọc 1,0 mm mất vật liệu với tốc độ nhanh hơn hầu hết người dùng công nghiệp mong đợi.

Phong bì vận hành an toàn vỏ bọc 1,0 mm trong dịch vụ hàng không tuần hoàn
Phạm vi vận hành an toàn cho vỏ bọc 1,0 mm 316 dành cho nhiệm vụ làm nóng không khí tuần hoàn được nêu trong bảng dưới đây. Cơ sở là độ mỏng thành có thể chấp nhận được dưới 0,03 mm trên 1.000 chu kỳ (0,1 mm sau mỗi 3.000 chu kỳ hoặc mất khoảng 10% trong 5 năm với 2 chu kỳ mỗi ngày).

Nhiệt độ bề mặt vỏ bọc tối đa Max. Số chu kỳ được đề xuất tối đa mỗi ngày. Tổng số chu kỳ được đề xuất trong suốt thời gian sử dụng Độ mỏng của tường dự kiến ​​sau tối đa. Chu kỳHành động được đề xuất vượt quá những giới hạn này
Lên tới 500°C 10 50.000 Dưới 0,05 mm 316 chấp nhận được; bất kỳ tần số chu kỳ nào 500 – 550°C 5 25,000 0.05 – 0,10 mm Có thể chấp nhận được đối với hầu hết các dịch vụ công nghiệp
550 – 600°C 3 15,000 0.10 – 0,15 mm Theo dõi độ dày thành định kỳ 600 – 650°C 2 10,000 0.15 – 0,25 mm Xem xét Incoloy 800H để có tuổi thọ cao hơn 650 – 700°C 1 5,000 0.20 – 0,35 mm 316 biên; đề nghị nâng cấp 700 – 750°C 0.5 2,500 0.30 – 0,50 mm 316 không nên
>750°C Không đề xuất Không áp dụng Đập vỡ nhanh Lò sưởi gốm hoặc Incoloy 800H
Incoloy 800H cung cấp khả năng chống oxy hóa cao hơn trong đó các ứng dụng yêu cầu nhiệt độ vỏ bọc cao nhất vượt quá 650°C và lớn hơn 2 chu kỳ mỗi ngày. Hợp kim này tạo ra một oxit phát triển chậm hơn, bám dính hơn, bong ra ở độ dày lớn hơn nhiều (10–15 micron) và nhiệt độ (trên 850°C). ví dụ: vỏ bọc Incoloy 800H 1,0 mm ở 750°C với 5 chu kỳ/ngày sẽ bị mỏng thành<0.05 mm over 10,000 cycles - five to ten times better than 316.

Những thay đổi về thiết kế để giảm sự nứt vỡ trong-vỏ bọc có tường mỏng
Ba thay đổi về thiết kế có thể làm giảm tỷ lệ va đập khi vỏ bọc 316 1,0 mm phải được vận hành trong dịch vụ hàng không tuần hoàn gần hoặc vượt quá giới hạn khuyến nghị. Đầu tiên là sử dụng phương pháp-xử lý tiền oxy hóa. Hoạt động của bộ gia nhiệt ở nhiệt độ tối đa trong 100–200 giờ trước khi vận hành theo chu kỳ dẫn đến lớp oxit dày hơn, bám dính hơn và ít bị bong tróc hơn lớp oxit mỏng hình thành trong các chu kỳ đầu. Thay đổi thứ hai là làm chậm tốc độ làm mát. Làm lạnh nhanh từ 700 độ xuống nhiệt độ phòng gây sốc nhiệt và nứt vỡ. Không sử dụng làm mát không khí cưỡng bức. Sự nứt vỡ giảm 30–50% khi làm mát tự nhiên trong không khí tĩnh. Thay đổi cuối cùng là đánh bóng bề mặt vỏ bọc để có độ sáng như gương dưới 0,2 micron Ra. Bề mặt mịn hơn dẫn đến các ôxit hạt mịn hơn, bám dính tốt hơn các ôxit được tạo ra trên các bề mặt gồ ghề, chẳng hạn như{18}}được mài giũa. Tỷ lệ vỡ vụn của vỏ bọc 316 được đánh bóng bằng điện thấp hơn 40-60% so với vỏ bọc đã được quấn trong cùng hoàn cảnh chu kỳ. Đối với hầu hết các ứng dụng sưởi ấm không khí công nghiệp dưới mức đỉnh 650°C, vỏ bọc 1,0 mm 316 có tuổi thọ sử dụng thỏa đáng từ 5–10 năm với tần số chu kỳ có thể chấp nhận được. Trên 650°C, nên chấp nhận giảm tuổi thọ hoặc giảm tần số chu kỳ hoặc nên sử dụng hợp kim chống oxy hóa tốt hơn. Khi chỉ định máy sưởi cho dịch vụ không khí tuần hoàn, luôn nêu rõ nhiệt độ vỏ bọc cao nhất dự đoán, tần suất chu kỳ và tuổi thọ sử dụng theo kế hoạch. Một nhà sản xuất đề xuất 316 cho dịch vụ 750C mà không đề cập đến hiện tượng nứt vỡ và làm mỏng thành là không đưa ra lời khuyên kỹ thuật đầy đủ. Sự mất đi độ dày đồng đều của thành do sự bong tróc oxit có thể dự đoán và kiểm soát được nhưng phải được xem xét khi dự đoán tuổi thọ sử dụng, đặc biệt đối với các lớp vỏ có thành mỏng trong đó mỗi micron vật liệu bị mất đều được tính đến.