איך שבריר הנפח של תכלילים לא-תחמוצת מתכת לאחר התכה של קשת ואקום של צינורות נדן מחמם 316 שולט על צפיפות אתר התחלת בור במים בטוהר- גבוה ב-90 מעלות

אוכלוסיית הכללה כמנגנון התחלת פיטינג היחיד בסביבות-נמוכות כלוריד

With 316 stainless steel clad electric heating tubes in high purity water applications such as pharmaceutical water systems, semiconductor rinse tanks or high pressure boiler feedwater when the chloride levels are under 10 ppm, conventional chloride-induced pitting is not expected. However the pitting does occur in these conditions and the beginning sites are virtually solely non-metallic oxide inclusions (mainly alumina, Al2O3 and spinels) rather than manganese sulphides. The oxide inclusion volume fraction of a normal electric-arc furnace (EAF) 316 is usually 0.01–0.05%. Vacuum arc remelting (VAR) or electroslag remelting (ESR) reduce the oxide inclusion volume percentage to less than 0.002% (a 10-25 fold reduction). A 316 sheath with an oxide inclusion volume fraction >0.01% במים בטוהר גבוה ב-90 מעלות יפיקו 10-50 בורות/סמ"ר תוך 1,000 שעות, אך חומר שטופל ב-VAR עם<0.002% inclusions is pit-free for >10,000 שעות. במאמר זה נחקרה ההשפעה של חיי השירות, צפיפות התחלת הבור ושבריר נפח הכללת תחמוצת על המים בטוהר- הגבוה.

התנהגות בור של פלדה המושרה על ידי מנגנון הכללת תחמוצת

בניגוד לתכלילים של מנגן גופרתי הפעילים מבחינה אלקטרוכימית ומעוררים פירוק על ידי פירוק, תכלילי תחמוצת (Al₂O₃, MgO·Al₂O₃) הם מבודדים אינרטים. הם ממלאים תפקיד מכני וגיאומטרי בהופעת בור. הממשק בין הכללת התחמוצת והמטריצה ​​האוסטניטית שונה במקדם ההתפשטות התרמית (CTE של Al2O3=8×10−6/מעלה לעומת. 316 ≈ 17×10−6/מעלה). אי התאמה זו של CTE גורמת לפער (נקיק) בין ההכללה למטריצה ​​בעת חימום (עד 90 מעלות) ומחזורי קירור. חריץ זה מלא במים וביוני כלוריד (אפילו ב<10 ppm) and constitutes the differential aeration cell that causes pitting. The pit then propagates by normal chloride driven mechanisms, but the bulk chloride is low. The number of pits is related to the number of oxide inclusions exposed at the surface.

הקשר בין שבר נפח הכללת תחמוצת לכימות צפיפות הבור ב-90 מעלות

בדיקות טבילה מבוקרות של 316 צינורות מתהליכי ייצור פלדה שונים (EAF, AOD, VAR) במים בטוהר גבוה (8 ppm Cl⁻, 15 µS/cm מוליכות, pH 7.0) ב-90 מעלות למשך 5,000 שעות קבעו את צפיפות התחלת הבור הבאים.

שבר נפח תחמוצת רגיל (%) בתהליך ייצור פלדה גודל טווח תכלילים (מיקרומטר) בורות/סמ"ר לאחר 5,000 שעות ב-90 מעלות עומק בור מקסימלי לאחר 5,000 שעות (מיקרומטר) זמן עד לבור יציב ראשון (ח) שירות מומלץ למים בטוהר גבוה
VAR (קשת ואקום נמסה מחדש)<0.002 1-5 <0.1 <10 >10,000 הטוב ביותר ESR (אלקטרושלג מומס מחדש) 0.002-0.005 1-8 0.1-0.5 10-20 5,000-10,000 AOD מעולה (ארגון-חמצן מפורק) 0.005-0.010 2-10 0.5-2 20-40 2,000-5,000 מקובל
טיפול AOD + סידן 0.008-0.015 3-15 2-5 30-60 1,000-3,000 שולי
EAF (תנור קשת חשמלי, סטנדרטי) 0.015-0.030 5-25 5-20 50-100 500-1,500לא רצוי
EAF (איכות גרועה) 0.030-0.050 10-50 20-50 80-150 200-500 לא מקובל
השפעת ריכוז הכלוריד על הכללה-סף פיתול המושרה

התחלת פיתול בתכלילים תחמוצת מואצת על ידי נוכחותם של כלורידים אפילו מינימליים. הטבלה שלהלן ממחישה את אחוז נפח הכללת תחמוצת המרבי המותר עבור שירות של 5 שנים כפונקציה של ריכוז הכלוריד ב-90 מעלות.

ריכוז כלוריד (ppm) מקסימום מותר מותר לכלול תחמוצת שבר נפח (%) מסלול ייצור פלדה מוצע חלופי אם חריגה<1 0.020 AOD or betterNone 1-5 0.010 AOD + calcium therapyNone 5-10 0.005 AOD (premium) or ESR None 10-20 0.003 ESR or VAR 316L with electropolishing 
20-50 0.002 VARUpgrade ל-316L, passivation50<0.001 VAR + surface removal 316 not recommended for long life
316 הכללה-מפרט מבוקר עבור שירות מים בטוהר גבוה

מפרטים עבור תנורי חימום מצופים 316 עבור יישומי מים בטוהר-גבוהים במסמכי רכש צריכים לכלול את הדברים הבאים:

יישום תהליך ייצור כלוריד מרבי (ppm) נדרש תהליך ייצור פלדה מרב נפח שילוב תחמוצת שיטת אימות
WFI פרמצבטי (מים להזרקה)<3 VAR or ESR <0.003% (30 ppm) ASTM E45 + SEM/EDS
שטיפה מוליכים למחצה (אולטרה-פירה)<1 VAR <0.002% (20 ppm) SEM/EDS of 10 fields 
מי הזנת דודי-בלחץ גבוה<5 ESR or AOD premium <0.005% (50 ppm) ASTM E45 Method A General high purity industrial <10 AOD with calcium treatment <0.010% (100 ppm) ASTM E45

לקונים הזקוקים להכללה מבוקר 316 יש שלוש טכניקות אימות. הראשון הוא ASTM E45 (שיטות בדיקה סטנדרטיות לקביעת תוכן ההכללה של פלדה), שיטה A (השדה הגרוע ביותר) או שיטה D (ניתוח תמונה). עבור יישומי טוהר גבוה מוגדרת חומרה מקסימלית של 0.5 עבור תכלילים מסוג B (אלומינה). השנייה היא מיקרוסקופיה אלקטרונית סורקת (SEM) עם ספקטרוסקופיה של קרני רנטגן (EDS) מפזרת אנרגיה על חתך - מלוטש (500-1,000×) המונה תכלילים ב-10 שדות ראייה. סף הקבלה הוא פחות מ-10 תכלילים למ"מ 2 יותר מ-2 מיקרומטר. הבדיקה השלישית היא בדיקת טבילה פשוטה שבה דגימת צינורות טבולה במים בטוהר גבוה (10 ppm Cl⁻) ב-90 מעלות למשך 1,000 שעות. אם בורות גלויים, תכולת ההכללה גבוהה מדי.

זיהוי שדה של פיטינג מתכלילי תחמוצת

תכלילים של תחמוצת הם הגורם הסביר להתפרצות של מחמם 316 במים באיכות גבוהה שבהם הכלורידים הם פחות מ-10-20 ppm. באופן מיקרוסקופי (200-500×) אתר הבור יחשוף הכללת Al 2 O 3 או ספינל בלב הבור, לעתים קרובות ההכללה נעקרה חלקית ממקומה. הבורות זעירים (קוטר 10-100 מיקרומטר), רבים ומפוזרים באופן שווה. בדיקת EDS של מרכז הבור מאמתת O ו-Al. התיקון לבעיות אלה הוא לציין VAR או ESR-grade 316 עבור קניות עתידיות. התנור אינו בר תיקון ויש להחליפו בצינור מבוקרת הכללה.

מסקנה: ייעוד VAR/ESR 316 לשירות מים טוהר גבוה

לתנורי חימום עטופים מנירוסטה 316 במים בטוהר גבוה (כלורידים<10 ppm) at 90°C, the dominant pitting initiation mechanism is galvanic crevice attack at non-metallic oxide inclusions. Standard EAF steel with 0.015-0.03% oxide inclusion volume fractions produces 5-20 pits/cm2 and perforation in 2-5 years in 5,000 hours. VAR or ESR processing decreases the oxide inclusion volume percentage to <0.002-0.005% and increases the pit-free life to >10,000 שעות. אם 316 נדן מוגדרים לשימוש ביישומי תרופות, מוליכים למחצה או אולטרה-טהורים לחימום מים, אזי על המהנדסים להזדקק לחומר בדרגת VAR או ESR ולבדוק את תוכן ההכללה ל-ASTM E45 עם מגבלות חומרה<0.5 for Type B inclusions. The framework described correlates oxide inclusion volume percentage with measurable pit initiation density and service life. Buyers may now select 316 tubing that resists pitting even in the most aggressive high purity water situations.