Vilket kritiskt partialtryck av syre i förbränningsgaser vid 600 graders manteltemperatur förhindrar accelererad oxidation av 316 värmerör av rostfritt stål

Gräns ​​för oxidationspotential för bildning av skyddande fjäll

För 316 mantlade elektriska värmerör i rostfritt stål i förbränningsgasmiljöer såsom kanalvärmare, ugnsatmosfärer eller avgasåtercirkulationssystem, kommer partialtrycket av syre (pO2) i den omgivande gasen att avgöra om manteln bildar en skyddande kromoxidskala eller upplever accelererad oxidation (avskiljbarhet till oxidation eller oxidation) Som en funktion av vattenånga och andra reaktiva ämnen är den kritiska pO2 för en stabil Cr2O3-skala vid höga manteltemperaturer (600 grader C, representativt för luftvärmetillämpningar men i den övre delen för 316) i storleksordningen 10-10 till 10-15 atm. Om syrehalten faller under detta tröskelvärde minskar kromoxiden och järnoxiderna bildar en snabbt utvecklande icke-skyddande skala. Över detta tröskelvärde (syrerika miljöer som luft vid 0,21 atm pO2) utvecklas ett tunt vidhäftande Cr2O3-skikt, vilket ger långtidsskydd. Men med för högt syrepartialtryck kan vattenånga bildas i flyktiga kromoxihydroxider, vilket minskar tjockleken på skalan. I denna studie kvantifieras säkert pO2-fönster för 316 höljen vid 600 grader och förbränningsmiljökriterier för förlängning av värmarens livslängd tillhandahålls.

Mekanism för stabilitet och flyktighet för kromoxid

Den skyddande skalan på 316 rostfritt stål vid hög temperatur är mestadels Cr 2 O 3 , som bildas genom selektiv oxidation av krom. För stabiliteten hos Cr2O3 måste det omgivande syrepartialtrycket vara högre än dissociationstrycket för kromoxid vid den aktuella temperaturen. Dissociationstrycket för Cr2O3 (den pO2 vid vilken Cr2O3 sönderdelas till metallisk Cr och O2) är ~10⁻²⁶ atm vid 600 grader, långt under syrenivåerna för normala förbränningsgaser. Men i närvaro av vattenånga omvandlas Cr2O3 till en flyktig form av kromoxihydroxid: Cr2O3(s) + 2H2O(g) + 3/2O2(g) → 2CrO2(OH)2(g). Denna reaktion eliminerar den skyddande skalan i en takt som beror på pO2 och pH2O. Maximal flyktighet inträffar vid pO2 i det ungefärliga intervallet 10-10-10-12 atm, snarare än vid mycket hög eller mycket låg pO2. Detta tyder på att lätt magra (syrefattiga) förbränningsatmosfärer i själva verket är mer frätande till 316 än antingen helt oxiderande (luft) eller väsentligt reducerande atmosfärer.

Kvantifierade pO₂-fönster för bildning av skyddsskala vid 600 grader

Oxidationshastigheten för 316 rostfritt stål som en funktion av syrepartialtrycket har bestämts genom kontrollerad termogravimetrisk testning vid 600 grader i gaskombinationer av olika pO2 och pH2O.

Syrepartialtryck (atm) Vattenånga partialtryck (atm) Skalbildad oxidationshastighet (mg/cm2-h) efter 500 timmar Skalvidhäftning Rekommenderas för 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 Förstärkt volatilisering, förtunning 0,05-0,10 Måttlig marginal
10-5 till 10-8 (mager förbränning) 0,05-0,15 Blandad Cr2O3/Fe2O3 0.10-0.30 Dålig Rekommenderas ej 10-9 till 10-12 (stökiometrisk förbränning) 0,10-0,20 FeCr2O4 spinell + veratilisering dålig 10.030 dålig flyktighet 10.030.
10-12 till 10-15 (rik förbränning) 0,10-0,20 Fe 3 O 4 (magnetit) 1,00-3,00 Mycket dålig (spalls) Oacceptabelt<10-15 (strongly reducing) <0.01 FeO (wustite) >5.00 Icke-skyddande Oacceptabelt
Effekten av bränslesvavel och andra förbränningsprodukter

Förutom syre och vattenånga innehåller förbränningsgaserna som härrör från fossila bränslen svaveldioxid (SO2) och spårmetaller som katalyserar oxidation 316. Cr2O3 interagerar med SO2 för att producera kromsulfider, som bryter ner den skyddande skalan och leder till utbrytande oxidation. För 316 vid 600 grader fördubblas oxidationshastigheten med en svavelkoncentration i bränslet på mer än 50 ppm (motsvarande ca 100 ppm SO 2 i rökgasen). För bränslen med svavel över 500 ppm (t.ex. hög-brännolja eller kol med hög svavelhalt) rekommenderas inte 316 för manteltemperaturer över 500oC. Klorhaltiga förbränningsgaser (från förbränning av klorerad plast eller något avfall) är ännu mer aggressiva och producerar flyktiga metallklorider med hastigheter som är 10-100 gånger högre än oxidbaserad korrosion. Bränslesammansättningsanalys krävs för alla tillämpningar där 316 höljen utsätts för förbränningsgaspåverkan.

Praktisk specifikation för användning av förbränningsvärmare

Följande parametrar är för 316 mantlade värmare i förbränningsgasmiljöer vid 600 graders mantlingstemperatur för att säkerställa produktion av en skyddande skala och acceptabla oxidtillväxthastigheter. Förbränningen måste utföras med överskott av luft (oxiderande omständigheter, pO2 > 0,01 atm) för att behålla Cr2O3-skalan – i motsats till den vanliga uppfattningen att reducerande atmosfärer är mindre korrosiva. Vattenångans partialtryck måste hållas under 0,15 atm (15 volymprocent fukt). Detta kan göras genom att för{11}}torka förbränningsluften eller använda ett bränsle med låg vätehalt. Bränslet bör ha en svavelkoncentration lägre än 0,05 % (500 ppm) och, idealiskt, lägre än 0,01 % (100 ppm). Om någon av dessa parametrar inte kan nås, bör mantelmaterialet uppgraderas till 310 rostfritt stål (25Cr-20Ni) eller Inconel 600, som båda har större tolerans mot minskad pO2 och högre vattenånga.

Fältdiagnos av oxidationsfel inducerad av pO2

Skalmorfologin för 316 höljen som misslyckas i förbränningsgasservice skiljer mellan orsaker kopplade till syrepartialtryck. Under oxiderande förhållanden (överskott av luft) är skalan tunn (<10 µm), greenish-gray (Cr2O3) and homogeneous. The scale is thick (>50 µm), svart, skiktad och visar ofta spjälkade områden under stökiometriska eller något reducerande omständigheter. Skalan är mörkgrå, porös, icke-vidhäftande och innehåller wustite (FeO) som bestäms via röntgendiffraktion under kraftigt reducerande omständigheter. Attacken som genereras av svavel resulterar i en mikrostruktur som är utmärkande för skalan som är känd som "sulfidstringer". Om värmaren har kraftig beläggning och spjälkning bör förbränningsmiljön ändras för att ge mer extra luft eller så bör värmaren flyttas ut ur den maximala syrezonen-.

Slutsats: bibehålla oxiderande förhållanden för 316 förbränningsvärmares livslängd

Den väsentliga pO 2 för produktion av skyddande Cr 2 O 3 skala på 316 rostfritt stål inkapslade värmare vid 600 grader i förbränningsgasatmosfärer är över cirka 10 -2 atm (2 % syre i volym). Den stökiometriska eller lätt bränslerika-förbränningen (pO2=10-9 till 10-12 atm) leder till snabb och icke-skyddande oxidutveckling och beläggningsflyktighet, och minskar värmarens livslängd från 20 000 timmar till 500-2 000 timmar. Ingenjörer som specificerar 316 mantlar för eldade värmare eller avgasapplikationer måste säkerställa att förbränningen sker i överskottsluft (minst 3-5 % O₂ i rökgas) och att bränslets svavelhalt är reglerad. Detta ramverk förbinder syrepartialtrycket med mätbara oxidationshastigheter. Det gör det möjligt för köpare att välja förbränningsförhållanden som bevarar den skyddande kromoxidskalan på 316 värmehylsor och undviker utbrytande oxidation och för tidigt fel.