Mengapa Tiub Pemanas Elektrik Sarung Keluli Tahan Karat 316 dalam Urea Lebur pada 130–160 darjah Membangunkan Karburisasi dan Pereputan Antara Bergranular Dalam Masa 12 Bulan Semasa Mengekalkan Mulur dalam Larutan Urea Berair?

Tiub pemanasan elektrik yang digunakan dalam pengeluaran urea, terutamanya dalam pemeluwap karbamat, menara penusuk urea dan tangki simpanan cair, terdedah kepada urea cair (NH 2 -CO-NH 2 ) pada suhu 130–160 darjah . Kegagalan lapangan dari beberapa kemudahan baja nitrogen menunjukkan bahawa 316 sarung keluli tahan karat menjadi rapuh dan berkecai selepas 6-12 bulan penggunaan urea cair. Pemanas yang sama digunakan selama bertahun-tahun dalam larutan urea berair (larutan 32% N, ambien hingga 60 darjah ) tanpa kemerosotan yang serupa. Proses kegagalan dalam urea cair adalah salah satu pengkarbonan, resapan karbon ke dalam kekisi keluli tahan karat 316 dan pemendakan karbida kromium dalaman. Pada suhu melebihi 130 darjah, urea cair terurai kepada asid sianik (HNCO), ammonia dan biuret, yang seterusnya hancur untuk memberikan spesies karbon aktif. Kadar penyebaran atom karbon ini ke dalam permukaan sarung adalah 10-100 kali lebih tinggi daripada pada atmosfera pengkarburian gas pada suhu yang sama, disebabkan oleh pemindahan jisim yang berkesan dalam medium cecair. Lapisan karbida habis kromium (kromium diikat sebagai karbida) dan diubah daripada austenit mulur kepada campuran karbida dan martensit yang rapuh yang keras. Lapisan yang hancur kemudian pecah di bawah kitaran haba atau tekanan mekanikal, memulakan keretakan yang merambat melalui teras mulur yang tinggal. Artikel ini menganggarkan kinetik pengkarbonan sebanyak 316 dalam urea cair, kekosongan akibat dan menyediakan maklumat pemilihan aloi untuk perkhidmatan cair urea.

Penguraian Terma Aktiviti Karbon Urea
Urea has a melting point of 133°C. Above this temperature it has two competing breakdown processes . The principal reaction at 130-160°C is: NH₂-CO-NH₂ → HNCO + NH₃. Cyanic acid (HNCO) trimerizes to cyanuric acid or combines with urea to provide biuret: NH₂-CO-NH₂ + HNCO → NH₂-CO-NH-CO-NH₂ (biuret). The biuret is decomposed further at temperatures over 160 °C: NH₂ - CO - NH - CO - NH₂ ->2HNCO + NH₃. Aktiviti keseimbangan karbon dalam urea cair pada 150 darjah dianggarkan 0.3-0.6, yang cukup tinggi untuk mengaburkan keluli tahan karat austenit. Sebaliknya, aktiviti karbon dalam atmosfera relau pengkarburikan biasa (0.8–1.0% C potensi) berjulat antara 0.8 hingga 1.2. Aktiviti karbon dalam urea cair adalah lebih rendah daripada pengkarburikan gas perindustrian, tetapi kekal tinggi dalam pendedahan yang lama (berbulan hingga tahun).

Perbezaan utama daripada urea berair adalah asas. Urea dalam larutan air adalah stabil dan tidak hancur di bawah 100 C. Dalam pemanas urea berair hanya molekul urea diperhatikan yang bukan karburising. Dalam urea cair, produk pecahan membentuk karbon aktif pada suhu melebihi 133 darjah , dan tiada air untuk menyekat pengkarbonan (tindak balas gas air: H₂O + C → CO + H₂ akan mengeluarkan karbon jika terdapat air, tetapi urea cair kering).

Kuantifikasi Kedalaman Karburasi dan Evolusi Mikrostruktur
Ujian pendedahan terkawal telah dijalankan ke atas sampel kupon keluli tahan karat 316 (tebal 2 mm, larutan anil) yang direndam dalam urea cair (gred teknikal, 99.5%) pada 145 darjah , 150 darjah dan 160 darjah sehingga 10,000 jam (kira-kira 14 bulan). Sampel diambil pada selang waktu, dibelah dan dianalisis untuk kandungan karbon melalui analisis pembakaran, pemendakan karbida oleh metalografi dan kemerosotan melalui ujian lentur.

Suhu ( darjah ) Masa Pendedahan (jam) Kedalaman Sarung (µm, keuntungan 0.1% C) Karbon Permukaan (wt%, asal 0.03-0.06%)Kehabisan Cr pada permukaan (wt%, asal 16-17%)Kemuluran lentur (pemanjangan baki, % panjang asal)
145 1000 15 0.18 14.2 85% 145 2000 30 0.32 12.8 60% 145 4000 60 0.55 10.5 30% 145 6000 80 0.70 9.0 15% 145 8000 100 0.82 7.8 5% (patah rapuh) 145 10000 120 0.91 6.5<5% (very brittle) 150 4000 90 0.68 9.5 20% 160 2000 100 0.85 8.0 10%
Kinetik pengkarbonan adalah parabola: kedalaman kotak berkadar dengan punca kuasa dua masa. Kedalaman kes 120 µm dicapai selepas 10,000 jam pada 145 darjah. Di sini kromium telah dilucutkan daripada 16–17% hingga serendah 6.5%, mengubah austenit menjadi campuran kromium karbida (Cr₂₃C₆) dan martensit tepu karbon. Kerosakan adalah serius: kemuluran lenturan dikurangkan kepada 15% daripada asal selepas 6000 jam (8.5 bulan) dan sampel berkecai dengan ubah bentuk yang minimum. Selepas 10,000 jam (14 bulan) bahan itu adalah kaca-seperti dalam lenturan, pecah pada ketegangan kurang daripada 1%.

Mod Kegagalan: Keretakan dan Spalasi Lapisan Karburised
Pekali pengembangan terma lapisan permukaan berkarburasi adalah sekitar 20% lebih rendah daripada teras tidak berkarburkan. Tegasan terma semasa kitaran haba, contohnya kitaran hidup/mati pemanas atau penutupan proses, membawa kepada keretakan lapisan karbida yang rapuh. Sebaik sahaja patah itu berkembang, ia mungkin bergerak sepanjang rangkaian karbida atau melalui sempadan butiran. Dalam keadaan yang melampau, lapisan logam berkarburasi mengelupas, mendedahkan logam segar untuk dikarburkan dan mempercepatkan proses.

Pemeriksaan lapangan ke atas sarung yang gagal dari menara prilling urea (150 deg C, perkhidmatan 12 bulan) mendedahkan kes carburised 150-200 mikron dengan keretakan ketara berserenjang dengan permukaan. Retakan meregang hingga 50–100 µm dalam teras yang tidak berkarbur dan sebahagiannya telah menembusi ketebalan dinding penuh 1.5 mm. Permukaan patah menunjukkan patah intergranular dan transgranular bercampur tanpa ubah bentuk yang ketara, yang mengesahkan rekahan.

Kesan ketulenan urea dan bahan tambahan pada kadar pengkarbonan
Urea komersial umumnya mengandungi biuret (0.5–1.5%) sebagai kekotoran akibat proses pembuatan. Biuret lebih reaktif daripada urea dan mempercepatkan pengkarbonan. Ujian pada 150 darjah lebih 2000 jam membandingkan urea tulen (99.9%,<0.1% biuret) with technical grade urea (99.0%, 0.8% biuret) showed:

Kandungan Biuret dalam Gred Urea (%)Kedalaman Sarung Karburised pada 2000 jam (µm) Karbon Permukaan (berat %)Kadar Karburising (Relatif)
Urea tulen (gred makmal)<0.1 35 0.48 1.0 (base line)
Gred teknikal (pertanian standard) 0.8 55 0.62 1.6
Gred Teknikal dengan Bahan Tambahan Formalin (0.5 %) 0.8 + HCHO 25 0.40 0.7 (Dihalang)
Urea kadangkala ditambah dengan formalin (formaldehid) untuk meminimumkan pengeluaran biuret dan untuk menghilangkan spesies karbon aktif. Ujian menunjukkan bahawa formalin sangat melambatkan kadar pengkarbonan, yang menerangkan jangka hayat pemanas lanjutan yang dilaporkan oleh beberapa kilang urea yang menggunakan urea yang dirawat.

Perkhidmatan Bahan Alternatif Molten Urea
Sesetengah bahan lebih tahan terhadap pengkarbonan dalam urea cair. Pilihan bergantung pada suhu dan anggaran hayat perkhidmatan.

Sheath Material Carburised Case Depth at 150°C, 5000 hrs (µm) Surface Hardness (HV, after exposure)Embrittlement (bend ductility loss)Relative CostRecommended for Molten Urea >140 darjah
316 Keluli Tahan Karat 100 450 (rapuh) Teruk (95% kerugian) 1.0 Tidak (gagal 8-12 bulan)
310 SS (25Cr-20Ni) 60 350 Sederhana (60% kerugian) 1.8 Marginal, 18-24 bulan
Aloi 800 (32Ni-21Cr) 25 280 Ringan (30% kehilangan) 2.5 Boleh diterima, 36-48 bulan
Aloi 600 (72Ni-15Cr-8Fe) 8 220 Minimum (10% kehilangan) 5.0 Baik, 60+ bulan
Aloi 601 60Ni-23Cr-14Fe 5 210 Rendah 5.5 Cemerlang
Titanium Gred 2 0 (tiada pengkarbonan) 180 (sama)Tiada 2.2 Cemerlang tetapi berisiko nitriding pada 180oC
Aloi 600 (Inconel 600) telah digunakan dengan berkesan dalam pemanas cair urea selama +5 tahun pada 140-150 darjah . Jumlah nikel yang banyak (72%) menghalang penyebaran karbon dan menstabilkan austenit terhadap pemendakan karbida. Aloi 601, setanding dalam nikel tetapi lebih tinggi dalam kromium, adalah jauh lebih tahan. Titanium Gred 2 tidak mengarburkan dengan cara yang sama (titanium menghasilkan lapisan TiC permukaan yang menyekat pencerobohan karbon tambahan) tetapi mungkin terdedah kepada nitriding daripada produk penguraian ammonia melebihi 180 darjah . Titanium sesuai di atas 130–160 darjah .

Bahasa Spesifikasi Pemanas Urea Lebur
Jangan gunakan keluli tahan karat 316 untuk tiub pemanasan elektrik yang dibeli untuk servis dengan urea cair pada suhu melebihi 133 darjah. Untuk hayat perkhidmatan lebih daripada 24 bulan, keperluan minimum ialah bahan sarung Aloi 600 (UNS N06600) atau Aloi 601 (UNS N06601). Potensi penggunaan keluli tahan karat 310 (UNS S31000) untuk perkhidmatan dengan suhu urea reka bentuk di bawah 145 darjah dan kandungan biuret di bawah 0.5% tetapi memerlukan pengukuran ketebalan dinding tahunan dan penggantian berjadual pada 18-24 bulan. Jika 316 mesti digunakan dalam sistem sedia ada, sertakan keperluan berikut: pastikan suhu urea serendah mungkin (sebaik-baiknya 135–140 darjah , tidak melebihi 145 darjah ); meminimumkan kandungan biuret (gunakan urea dengan penambahan formalin jika ada); beroperasi secara berterusan untuk mengelakkan kitaran haba; dan menggantikan sarung setiap 6 bulan tanpa mengira rupa. Untuk loji baharu, titanium Gred 2 atau Gred 7 menawarkan kos yang baik kepada keseimbangan prestasi untuk perkhidmatan urea cair sehingga 160 darjah, dengan syarat pemanas tidak terdedah kepada suhu melebihi 180 darjah di mana titanium nitriding menjadi isu. Jurutera mengiktiraf bahawa urea cair adalah persekitaran pengkarburisan yang sangat berbeza daripada urea berair dan boleh memilih bahan yang tahan terhadap penyebaran karbon dan pereputan, meningkatkan hayat pemanas dari bulan ke tahun.