Koji kritični parcijalni pritisak kiseonika u gasovima sagorevanja na temperaturi omotača od 600 stepeni sprečava ubrzanu oksidaciju 316 cevi grejača od nerđajućeg čelika

Granica oksidacionog potencijala za stvaranje zaštitnog kamenca

Za električne grijaće cijevi od nehrđajućeg čelika 316 u okruženjima s plinom za izgaranje kao što su grijači kanala, atmosfere peći ili sistemi za recirkulaciju izduvnih plinova, parcijalni tlak kisika (pO2) u okolnom plinu će odrediti da li omotač formira zaštitnu ljusku od krom-oksida ili će doživjeti ubrzanu oksidaciju (otpadanje do oksidacije). Kao funkcija vodene pare i drugih reaktivnih vrsta, kritični pO2 za stabilnu skalu Cr2O3 na visokim temperaturama omotača (600°C, reprezentativno za primjene grijanja zraka, ali na visokom kraju za 316) je reda veličine 10-10 do 10-15 atm. Ako nivo kiseonika padne ispod ovog praga, hrom oksid se smanjuje i oksidi gvožđa formiraju brzo razvijajuću ne{18}}nezaštitnu skalu. Iznad ovog praga (okruženja bogata kiseonikom kao što je vazduh na 0,21 atm pO2), razvija se tanak prianjajući sloj Cr2O3, koji pruža dugotrajnu zaštitu. Ali s prevelikim parcijalnim tlakom kisika, vodena para se može formirati u isparljivim krom oksihidroksidima, što smanjuje debljinu kamenca. U ovoj studiji, kvantificiran je siguran pO2 prozor za 316 omotača na 600 stepeni i dati su kriteriji okruženja za sagorijevanje za produženje vijeka trajanja grijača.

Mehanizam stabilnosti i hlapljivosti krom-oksida

Zaštitna skala na nerđajućem čeliku 316 pri visokoj temperaturi je uglavnom Cr 2 O 3 , koja nastaje selektivnom oksidacijom hroma. Za stabilnost Cr2O3, parcijalni pritisak kiseonika okoline mora biti veći od pritiska disocijacije hrom oksida na dotičnoj temperaturi. Pritisak disocijacije Cr₂O₃ (pO₂ pri kojem se Cr₂O₃ razlaže u metalni Cr i O₂) je ~10⁻²⁶ atm na 600 stepeni, znatno ispod nivoa kiseonika normalnih gasova sagorevanja. Međutim, u prisustvu vodene pare, Cr2O3 se pretvara u isparljivi oblik hrom oksihidroksida: Cr2O3(s) + 2H2O(g) + 3/2O2(g) → 2CrO2(OH)2(g). Ova reakcija eliminira zaštitnu skalu brzinom koja ovisi o pO2 i pH2O. Maksimalna volatilnost se javlja kod pO2 u približnom opsegu 10-10-10-12 atm, umjesto pri vrlo visokom ili vrlo niskom pO2. Ovo sugerira da su atmosfere sagorijevanja s malo siromašnim (sa nedostatkom kisika) zapravo korozivnije za 316 od bilo koje potpuno oksidirajuće (vazduh) ili atmosfere sa značajnom redukcijom.

Kvantifikovani pO₂ prozori za formiranje zaštitne skale na 600 stepeni

Brzina oksidacije nerđajućeg čelika 316 kao funkcija parcijalnog pritiska kiseonika određena je kontrolisanim termogravimetrijskim ispitivanjem na 600 stepeni u gasnim kombinacijama različitih pO₂ i pH₂O.

Parcijalni pritisak kiseonika (atm) Parcijalni pritisak vodene pare (atm) Formirana stopa oksidacije na skali (mg/cm2-h) nakon 500 sati Prianjanje na skali Preporučeno za servis od 600 stepeni 0,21 (vazduh)<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 Pojačana isparljivost, stanjivanje 0,05-0,10 Umjereno Marginalno
10-5 do 10-8 (bezo sagorijevanje) 0,05-0,15 Miješani Cr2O3/Fe2O3 0.10-0.30 Loše Ne preporučuje se 10-9 do 10-12 (stehiometrijsko sagorijevanje) 0,10-0,20 FeCr2O4 po spinel.
10-12 do 10-15 (bogato sagorevanje) 0,10-0,20 Fe 3 O 4 (magnetit) 1,00-3,00 Veoma loše (prljanja) Neprihvatljivo<10-15 (strongly reducing) <0.01 FeO (wustite) >5.00 Bez{1}}ne zaštite Neprihvatljivo
Utjecaj goriva sumpora i drugih proizvoda sagorijevanja

Osim kisika i vodene pare, plinovi izgaranja dobiveni iz fosilnih goriva sadrže sumpor-dioksid (SO2) i metale u tragovima koji katalizuju oksidaciju 316. Cr₂O₃ stupa u interakciju sa SO₂ kako bi proizveo krom sulfide, koji razgrađuju zaštitnu ljusku i dovode do odvajanja oksida. Za 316 na 600 stepeni, brzina oksidacije se udvostručuje koncentracijom sumpora u gorivu većom od 50 ppm (što odgovara oko 100 ppm SO 2 u dimnom gasu). Za goriva sa sumporom većim od 500 ppm (npr. visoko-lož ulje ili ugalj) 316 se ne preporučuje za temperature omotača iznad 500oC. Plinovi izgaranja koji sadrže klor (iz sagorijevanja hlorirane plastike ili nekih otpada) su još agresivniji, proizvodeći hlapljive metalne kloride brzinom 10-100 puta većom od korozije na bazi oksida. Analiza sastava goriva je potrebna za svaku primjenu u kojoj je 316 omotača podložno udaru plinova izgaranja.

Praktična specifikacija za upotrebu grijača na sagorijevanje

Sljedeći parametri su za 316 obloženih grijača u okruženjima plina za izgaranje na temperaturi omotača od 600 stepeni kako bi se osigurala proizvodnja zaštitne skale i prihvatljive stope rasta oksida. Sagorevanje mora biti izvedeno sa viškom vazduha (oksidacione okolnosti, pO2 > 0,01 atm) da bi se zadržala skala Cr2O3 – suprotno uobičajenom verovanju da je redukciona atmosfera manje korozivna. Parcijalni pritisak vodene pare se mora održavati ispod 0,15 atm (15% zapreminske vlage). Ovo se može učiniti pre-sušenjem zraka za izgaranje ili korištenjem goriva sa malim sadržajem vodonika. Gorivo bi trebalo da ima koncentraciju sumpora nižu od 0,05 % (500 ppm) i, idealno, nižu od 0,01 % (100 ppm). Ako se bilo koji od ovih parametara ne može postići, materijal omotača treba nadograditi na 310 nehrđajući čelik (25Cr-20Ni) ili Inconel 600, od kojih oba imaju veću toleranciju na smanjeni pO2 i veću vodenu paru.

Terenska dijagnostika neuspjeha oksidacije izazvanog pO2

Morfologija skale za 316 omotača koji ne rade u radu gasa za sagorevanje razlikuje uzroke povezane sa parcijalnim pritiskom kiseonika. U uslovima oksidacije (višak vazduha), ljuska je tanka (<10 µm), greenish-gray (Cr2O3) and homogeneous. The scale is thick (>50 µm), crna, slojevita i često pokazuje izlomljena područja u stehiometrijskim ili blago reduciranim okolnostima. Skala je tamno siva, porozna, neljepljiva i sadrži vustit (FeO) kako je utvrđeno difrakcijom x- zraka pod jako reduciranim okolnostima. Napad izazvan sumporom rezultira mikrostrukturom karakterističnom po mjeri koja je poznata kao "sulfidni stringer". Ako grijač ima veliki kamenac i rascjep, okruženje za sagorijevanje treba promijeniti kako bi se osiguralo više dodatnog zraka ili grijač treba premjestiti iz zone najvećeg nedostatka kisika-.

Zaključak: Održavanje oksidirajućih uvjeta za dugovječnost grijača 316 Combustion

Neophodan pO 2 za proizvodnju zaštitne skale Cr 2 O 3 na 316 grijača obloženih nerđajućim čelikom na 600 stepeni u atmosferi gasa sagorevanja je iznad oko 10-2 atm (2 % kiseonika po zapremini). Stehiometrijsko ili blago{11}}bogato gorivom sagorijevanje (pO2=10-9 do 10-12 atm) dovodi do brzog i nezaštitnog razvoja oksida i nestabilnosti kamenca, te smanjuje vijek trajanja grijača sa 20.000 sati na 500-2.000 sati. Inženjeri koji specificiraju 316 omotača za grijače na loženje ili izduvne aplikacije moraju osigurati da se sagorijevanje odvija u viškom zraka (minimalno 3-5% O₂ u dimnom plinu) i da je sadržaj sumpora u gorivu reguliran. Ovaj okvir povezuje parcijalni pritisak kiseonika sa merljivim brzinama oksidacije. Omogućava kupcima da odaberu uslove sagorevanja koji čuvaju zaštitnu ljusku hrom oksida na 316 omotača grejača i izbegavaju oksidaciju i preranog kvara.