Koji je maksimalni siguran parcijalni pritisak kiseonika (atm) u azotnom pokrivaču iznad titanijumskog imerzijskog grijača koji radi na 300 stepeni u eutektičkoj slanoj kupki kako bi se izbjegao ubrzani rast alfa{1}} slučajeva?

Titanijumski potopni grijači su zaštićeni od oksidacije azotnim pokrivačem u eutektičkoj slanoj kupki na 300 stepeni. Međutim, ako je kiseonik dostupan u azotnom pokrivaču, kiseonik može prodreti na površinu titanijuma i formirati sloj alfa- kućišta obogaćenog kiseonikom. Ovaj krhki sloj smanjuje vijek trajanja i duktilnost. Brzina rasta alfa-slučaja je parabolična, dubina je proporcionalna kvadratnom korijenu vremena pomnoženom parcijalnom pritisku kiseonika. Ovo je najviši parcijalni pritisak kiseonika koji se može bezbedno koristiti da se izbegne ubrzani rast alfa-slučaja (tj. manje od 10 m alfa{11}}nakon 10.000 sati rada) . Iznad ovog nivoa, stopa rasta alfa-slučaja se brzo povećava uzrokujući krhkost i rano kvar.

Mehanizam formiranja alfa{0}}slučaja pomoću kiseonika na 300 stepeni

Na 300 stepeni kiseonik difunduje intersticijalno u titanijumskoj rešetki stabilizujući alfa fazu. Alfa-sloj kućišta je tvrđi, tipično 300–500 HV u poređenju sa 180–220 HV za osnovni metal i u suštini nije-duktilan. Rast u alfa- slučaju je dat jednačinom d^2=k_p * t, gdje je d dubina alfa- slučaja, k_p je konstanta paraboličke brzine, a t je trajanje. Konstanta brzine kp je proporcionalna parcijalnom pritisku kiseonika na stepen od 0,5. Pri parcijalnim pritiscima kiseonika ispod kritične vrijednosti, stopa rasta alfa-slučaja je zanemarljiva za praktičan vijek trajanja. Iznad ovog nivoa stopa rasta je visoka i može dovesti do krhkosti tankosjedne cijevi za grijanje za nekoliko mjeseci.

Kvantitativni alfa-rast slučaja u odnosu na parcijalni pritisak kiseonika na 300 stepeni

Kontrolisani testovi sa kombinacijama azota-kiseonika na 300 stepeni tokom 10.000 sati su utvrdili alfa-dubinu rasta za Ti-Grade 2. Pri parcijalnom pritisku kiseonika od 0,0001 atm (0,01% kiseonika) alfa{9}–slučaj utiče samo na dubinu i samim tim utiče na dubinu alfa{9}–5. mehaničkih kvaliteta. Dubina je 5–10 µm na 0,0005 atm (0,05% kiseonika), što je prihvatljivo za većinu aplikacija sa sigurnosnom marginom. Na kritičnom pragu od 0,001 atm (0,1% kiseonika) alfa{20}}dubina kućišta je 8-15 {mikro}m nakon 10.000 sati, što je maksimalno dozvoljeno ograničenje. Na 0,002 atm (0,2% kiseonika) dubina se povećava na 15–25 µm i primećuje se merljivi gubitak duktilnosti. Na 0,005 atm (0,5% kiseonika) dubina je 25-40 µm i primećeno je značajno krhkost. 35–60 µm dubina alfa-slučaja na 0,01 atm (1% kiseonika) sa pucanjem pri termičkom ciklusu. Na 0,1 atm (10% kiseonika, tipično za vazduh) dubina je veća od 100 µm nakon 10.000 sati sa jakom krhkošću.

Temperatura i vrijeme izlaganja utječu na toleranciju kisika

Sigurni parcijalni pritisak kiseonika naglo opada sa temperaturom . 8-15 µm alfa-dubinom kućišta nakon 10.000 sati na 300 stepeni i 0,001 atm O2. Pri 350 stepeni i istom pritisku O2 od 0,001 atm dubina se povećava na 20–35 µm, što je iznad dozvoljene granice. Na 300 C i 0,002 atm O 2 dubina je 15-25 um, opet preko granice. Tolerancije kiseonika su veće na nižim temperaturama, sa dubinom od 10.000 h od samo 5-10 µm na 250 stepeni i 0,005 atm O2. Viši nivoi kiseonika mogu biti prihvatljivi za vremena izlaganja kraća od 10.000 sati. Maksimalni bezbedni parcijalni pritisak kiseonika tokom 1000 sati izlaganja na 300 stepeni penje se do 0,005 atm (0,5% kiseonika) sa dubinom alfa slučaja od 5–10 μm.

Vodič za kontrolu parcijalnog pritiska kiseonika

U sljedećoj tabeli date su preporuke za maksimalne dozvoljene parcijalne pritiske kiseonika u azotnim pokrivačima preko titanijumskih potopnih grijača u eutektičkim slanim kupatilima na 300 stepeni u funkciji potrebnog vijeka trajanja i dozvoljene dubine alfa-korišta.

Željeni radni vek (sati) Maksimalna dozvoljena alfa-dubina kućišta (µm) Maksimalni sigurni parcijalni pritisak kiseonika (atm) Ekvivalentna koncentracija kiseonika (%) Preporučena čistoća azota 5,000 10 0.002 0.2% 99,8% 10,{5}}% 10,{5}}% 9,9% 99. 50,000 20 0.0002 0.02% 99,98% 100,000 25 0.0001 0.01% 99,99%
Inženjering izvan parcijalnog pritiska kontrole kiseonika

Kvalitet titanijuma utiče na kinetiku proizvodnje alfa{0}} kućišta. Stepen 7 se ponaša na sličan način kao i stepen 2 u alfa- slučaju za isti parcijalni pritisak kiseonika jer paladijum ne menja značajno difuziju kiseonika. Debljina zida nudi materijalni dodatak. Na primjer, zid od 2,0 mm sa alfa-dubinom kućišta od 20 µm ima 1,98 mm duktilne jezgre što je prihvatljivo, ali zid od 1,0 mm sa istim alfa- kućištem ima samo 0,98 mm duktilne jezgre što može biti marginalno. Kontinuirani nadzor azotnog pokrivača treba održavati korišćenjem analizatora kiseonika koji je podešen da alarmira na 0,05% kiseonika (0,0005 atm) kako bi se obezbedila sigurnosna granica ispod granice od 0,1%. Hemija u slanoj kupki također može uticati na rast alfa-kapa; nečistoće hlorida u soli povećavaju brzinu transporta kiseonika.

Informed Specification.

Za uranjajući grijač od titanijuma na 300°C u eutektičkoj slanoj kupki sa azotnim pokrivačem, specificirajte maksimalni parcijalni pritisak kiseonika od 0,001 atm (0,1 procenat kiseonika) za životni vek od 10.000 sati. Praćenje kiseonika u azotnom pokrivaču treba da bude kontinuirano sa alarmom na 0,05% kiseonika i blokadom za isključivanje grejača ako je kiseonik veći od 0,2%. Navedite azot minimalne čistoće 99,9%, tačku rose ispod -60 stepeni kako biste osigurali suhoću. Odredite 99,95% azota (0,05%O₂) za duži radni vek preko 20.000 sati ili instalirajte sistem za dobijanje kiseonika. Prilikom puštanja u rad važno je provjeriti nivo kisika na površini grijača, ne samo na ulazu za dovod plina, jer zrak može ući kroz zaptivke. Da bi se spriječio ubrzani rast alfa kućišta i krhkost titanskih grijača u visokotemperaturnoj slanoj kupki, inženjer kontrolira parcijalni tlak kisika na manje od 0,001 atm.