Apakah Tekanan Separa Kritikal Oksigen dalam Gas Pembakaran pada Suhu Sarung 600 darjah Menghalang Pengoksidaan Dipercepatkan 316 Tiub Pemanas Keluli Tahan Karat

Had Potensi Pengoksidaan untuk Pembentukan Skala Perlindungan

Untuk 316 tiub pemanas elektrik bersarung keluli tahan karat dalam persekitaran gas pembakaran seperti pemanas saluran, atmosfera relau atau sistem peredaran semula gas ekzos, tekanan separa oksigen (pO2) dalam gas sekeliling akan menentukan sama ada sarung itu membentuk skala kromium oksida pelindung atau mengalami pengoksidaan dipercepatkan (pengoksidaan pemisah) atau disebabkan kemudahruapan. Sebagai fungsi wap air dan spesies reaktif lain, pO2 kritikal untuk skala Cr2O3 yang stabil pada suhu sarung yang tinggi (600 darjah C, mewakili aplikasi pemanasan udara tetapi pada tahap tinggi untuk 316) adalah pada tertib 10-10 hingga 10-15 atm. Jika paras oksigen jatuh di bawah ambang ini, kromium oksida berkurangan dan oksida besi membentuk skala bukan pelindung{18}}yang pantas berkembang. Di atas ambang ini (persekitaran kaya oksigen seperti udara pada 0.21 atm pO2), lapisan Cr2O3 melekat nipis berkembang, memberikan perlindungan jangka panjang. Tetapi dengan tekanan separa oksigen yang terlalu banyak, wap air boleh terbentuk dalam kromium oksihidroksida yang meruap, yang mengurangkan ketebalan skala. Dalam kajian ini, tingkap pO2 selamat untuk 316 sarung pada 600 darjah dikira dan kriteria persekitaran pembakaran untuk lanjutan hayat pemanas disediakan.

Mekanisme kestabilan dan kemeruapan kromium oksida

Skala pelindung pada keluli tahan karat 316 pada suhu tinggi kebanyakannya Cr 2 O 3, yang dibentuk oleh pengoksidaan terpilih kromium. Untuk kestabilan Cr2O3, tekanan separa oksigen ambien mestilah lebih tinggi daripada tekanan disosiasi kromium oksida pada suhu berkenaan. Tekanan disosiasi Cr₂O₃ (pO₂ di mana Cr₂O₃ terurai kepada logam Cr dan O₂) ialah ~10⁻²⁶ atm pada 600 darjah , jauh di bawah paras oksigen gas pembakaran biasa. Walau bagaimanapun, dengan kehadiran wap air, Cr2O3 ditukar kepada bentuk kromium oksihidroksida yang meruap: Cr2O3(s) + 2H2O(g) + 3/2O2(g) → 2CrO2(OH)2(g). Tindak balas ini menghapuskan skala perlindungan pada kadar bergantung kepada pO2 dan pH2O. Kemeruapan maksimum berlaku pada pO2 dalam julat anggaran 10-10-10-12 atm, bukannya pada pO2 yang sangat tinggi atau sangat rendah. Ini menunjukkan bahawa atmosfera pembakaran yang sedikit kurus (kekurangan oksigen), sebenarnya, lebih menghakis kepada 316 daripada sama ada atmosfera yang mengoksida sepenuhnya (udara) atau mengurangkan dengan ketara.

Tingkap pO₂ yang dikira untuk Pembentukan Skala Perlindungan pada 600 darjah

Kadar pengoksidaan keluli tahan karat 316 sebagai fungsi tekanan separa oksigen telah ditentukan dengan ujian termogravimetri terkawal pada 600 darjah dalam gabungan gas pO₂ dan pH₂O berbeza.

Tekanan Separa Oksigen (atm) Tekanan Separa Wap Air (atm) Skala Kadar Pengoksidaan Terbentuk (mg/cm2-jam) selepas 500 jam Pematuhan Skala Disyorkan untuk Perkhidmatan 600 darjah 0.21 (udara)<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 Penguapan dipertingkat, penipisan 0.05-0.10 Marginal Sederhana
10-5 hingga 10-8 (pembakaran tanpa lemak) 0.05-0.15 Cr2O3/Fe2O Campuran3 0.10-0.30 Lemah Tidak disyorkan 10-9 hingga 10-12 (pembakaran stoikiometrik) 0.10-0.20 FeCr2O4 spinel + pemeruapan yang lemah 0.30 Sangat lemah
10-12 hingga 10-15 (pembakaran kaya) 0.10-0.20 Fe 3 O 4 (magnetit) 1.00-3.00 Sangat lemah (spalls) Tidak boleh diterima<10-15 (strongly reducing) <0.01 FeO (wustite) >5.00 Tidak-pelindung Tidak Boleh Diterima
Kesan Bahan Api Sulfur dan Produk Pembakaran Lain

Selain oksigen dan wap air, gas pembakaran yang terhasil daripada bahan api fosil mengandungi sulfur dioksida (SO2) dan logam surih yang memangkinkan pengoksidaan 316. Cr₂O₃ berinteraksi dengan SO₂ untuk menghasilkan kromium sulfida, yang memecahkan skala pelindung dan membawa kepada pengoksidaan pemisah. Untuk 316 pada 600 darjah, kadar pengoksidaan digandakan dengan kepekatan sulfur dalam bahan api lebih daripada 50 ppm (bersamaan dengan kira-kira 100 ppm SO 2 dalam gas serombong). Untuk bahan api dengan sulfur melebihi 500 ppm (cth-tinggi minyak bahan api sulfur atau arang batu) 316 tidak disyorkan untuk suhu sarung melebihi 500oC. Klorin yang mengandungi gas pembakaran (daripada pembakaran plastik berklorin atau beberapa bahan buangan) adalah lebih agresif, menghasilkan logam klorida yang tidak menentu pada kadar 10-100 kali ganda daripada kakisan berasaskan oksida. Analisis komposisi bahan api diperlukan untuk sebarang aplikasi di mana 316 sarung tertakluk kepada gangguan gas pembakaran.

Spesifikasi Praktikal untuk Penggunaan Pemanas Pembakaran

Parameter berikut adalah untuk 316 pemanas bersarung dalam persekitaran gas pembakaran pada suhu sarung 600 darjah untuk memastikan pengeluaran skala perlindungan dan kadar pertumbuhan oksida yang boleh diterima. Pembakaran mesti dilakukan dengan udara berlebihan (keadaan pengoksidaan, pO2 > 0.01 atm) untuk mengekalkan skala Cr2O3 – bertentangan dengan kepercayaan biasa bahawa mengurangkan atmosfera kurang menghakis. Tekanan separa wap air mesti dikekalkan di bawah 0.15 atm (15% kelembapan mengikut isipadu). Ini boleh dilakukan dengan pra{11}}mengeringkan udara pembakaran atau menggunakan bahan api yang rendah kandungan hidrogennya. Bahan api harus mempunyai kepekatan sulfur lebih rendah daripada 0.05 % (500 ppm) dan, idealnya, lebih rendah daripada 0.01 % (100 ppm). Jika mana-mana parameter ini tidak dapat dicapai, bahan sarung hendaklah dinaik taraf kepada keluli tahan karat 310 (25Cr-20Ni) atau Inconel 600, yang kedua-duanya mempunyai toleransi yang lebih besar kepada pengurangan pO2 dan wap air yang lebih tinggi.

Diagnosis lapangan kegagalan pengoksidaan yang disebabkan oleh pO2

Morfologi skala untuk 316 sarung yang gagal dalam perkhidmatan gas pembakaran membezakan antara punca yang dikaitkan dengan tekanan separa oksigen. Di bawah keadaan pengoksidaan (udara berlebihan), skala adalah nipis (<10 µm), greenish-gray (Cr2O3) and homogeneous. The scale is thick (>50 µm), hitam, berlapis dan sering menunjukkan kawasan spalled dalam keadaan stoikiometrik atau mengurangkan sedikit. Skala berwarna kelabu gelap, berliang, tidak melekat dan mengandungi wustite (FeO) seperti yang ditentukan melalui pembelauan sinar x-di bawah keadaan yang mengurangkan dengan teruk. Serangan yang dijana oleh sulfur menghasilkan struktur mikro yang tersendiri pada skala yang dikenali sebagai "pengikat sulfida". Jika pemanas mempunyai skala berat dan spalling, persekitaran pembakaran harus ditukar untuk menyediakan lebih banyak udara tambahan atau pemanas harus dialihkan keluar dari zon kebuluran oksigen puncak-.

Kesimpulan: Mengekalkan Keadaan Pengoksidaan untuk Ketahanan Pemanas Pembakaran 316

PO 2 yang penting untuk penghasilan skala pelindung Cr 2 O 3 pada pemanas bersalut keluli tahan karat 316 pada 600 darjah dalam atmosfera gas pembakaran adalah melebihi 10-2 atm (2 % oksigen mengikut isipadu). Pembakaran kaya stoikiometri atau sedikit bahan api-(pO2=10-9 kepada 10-12 atm) membawa kepada pembangunan oksida yang cepat dan tidak melindungi serta turun naik skala, dan mengurangkan hayat pemanas daripada 20,000 jam kepada 500-2,000 jam. Jurutera yang menyatakan 316 sarung untuk pemanas berapi atau aplikasi ekzos perlu memastikan pembakaran dijalankan dalam lebihan udara (minimum 3-5% O₂ dalam gas serombong) dan kandungan sulfur bahan api dikawal. Rangka kerja ini menghubungkan tekanan separa oksigen dengan kadar pengoksidaan yang boleh diukur. Ia membolehkan pembeli memilih keadaan pembakaran yang mengekalkan skala kromium oksida pelindung pada sarung pemanas 316 dan mengelakkan pengoksidaan terputus dan kegagalan pramatang.