In che modo la frazione in volume del carburo di niobio primario (NbC) nella guaina stabilizzata del riscaldatore 347 controlla la resistenza alla sensibilizzazione durante il servizio a lungo termine a 550 gradi rispetto al 316L

L'effetto di stabilizzazione dell'esposizione prolungata alle alte temperature

Per applicazioni a lungo termine e ad alta temperatura (550 gradi) di tubi riscaldanti elettrici rivestiti, ad esempio per riscaldatori d'aria industriali, preriscaldatori di forni petrolchimici o apparecchiature per il trattamento termico-, la scelta dell'acciaio inossidabile 316L (a basso contenuto di carbonio) rispetto all'acciaio inossidabile 347 (stabilizzato con niobio) è determinata dalla rispettiva resistenza alla sensibilizzazione. 316L deve la sua capacità di resistere alla precipitazione del carburo di cromo al suo basso contenuto di carbonio (<0.03%). However even 316L can sensitise at 550 C after long service (5000-10000 hours). Carbon diffusion is sluggish, but will allow carbides to develop at grain boundaries. Type 347 has niobium (Nb, usually 10× C content, 0.3-0.8% Nb) which forms stable niobium carbide (NbC) precipitates in the grains, binding up carbon and preventing chromium depletion. The long term resistance to sensitisation is totally controlled by the volume fraction of the primary NbC (0.05-0.2%) and the fine secondary NbC which precipitates in service. Properly stabilised 347 is not sensitised at 550°C for >50.000 ore. 316L inizia a sensibilizzare a 5.000-10.000 ore. L'articolo quantifica l'associazione tra percentuale di volume di NbC, tempo di servizio e resistenza alla sensibilizzazione nel 347 rispetto al 316L.

Meccanismo di fissazione del carbonio e stabilizzazione del niobio

Nell'acciaio inossidabile 347 (18Cr-11Ni-Nb), il niobio ha un'affinità sostanzialmente maggiore per il carbonio rispetto al cromo. Durante la solubilizzazione (1.050-1.100 gradi) la maggior parte dell'NbC si dissolve, ma le particelle primarie di NbC (1-5 µm) rimangono non disciolte. Precipita fine NbC secondario (10-50 nm) nella matrice austenite, prevalentemente nelle dislocazioni e nei grani piuttosto che ai bordi dei grani, durante il raffreddamento e in servizio a 450-750 gradi. Il carbonio è legato come NbC quindi l'attività del carbonio nella matrice è molto bassa. Ciò impedisce la formazione di carburi di Cr (Cr2 3 C6) ai bordi dei grani. L'efficienza della stabilizzazione dipende dal rapporto Nb:C (circa 8:1 per NbC) e dalla completezza della ricottura di stabilizzazione (solitamente 850-900 gradi per 2-4 ore dopo la ricottura in soluzione).

Relazione tra frazione volumetrica NbC e resistenza alla sensibilizzazione a 550 gradi

I tubi 347 (con varie concentrazioni di niobio e carbonio) e i tubi 316L a 550 gradi per un massimo di 50.000 ore con test periodici ASTM A262 Pratica A (attacco con acido ossalico) e Pratica E (rame-solfato di rame), ha determinato i seguenti tempi per l'inizio della sensibilizzazione:

Alloy Niobium (wt %) Carbon (wt %)Nb:C weight ratio NbC fraction Volume (%) Sensitisation time at 550°C (h) ASTM A262 Practice A after 10,000hRecommended for >10,000 hours at 550°C 316L 0 0.020 0 0 5,000-10,000 Ditch (sensitized) No 316L (extra low C) 0 0.010 0 0 10,000-20,000 Dual (transition) Marginal 347 (under-stabilized) 0.15 0.040 3.8 0.02-0.05 10,000-20,000 Dual Acceptable 347 (minimally stabilized) 0.20 0.040 5.0 0.04-0.08 20,000-30,000 Step (mostly) Recommended 347 (properly stabilized) 0.40 0.040 10 0.08-0.15 >50,000 Step Best 347 (fully stabilized) 0.60 0.040 15 0.12-0.20 >50,000 Step Best 347 (over-stabilized) 0.80 0.040 20 0.15-0.25 >50.000 (ma stringhe NbC) Gradini (ma rischio ferrite) Attenzione Accettabile 347 (Do alto) 0.40 0.060 6.7 0.10-0.18 30,000-40.000 Gradini Consigliati
Effetto della ricottura di stabilizzazione sulla precipitazione di NbC

Dopo la solubilizzazione, una ricottura di stabilizzazione a 850-900 gradi induce la precipitazione di NbC fine e intragranulare, massimizzando la fissazione del carbonio e prevenendo la successiva sensibilizzazione.

Sequenza del trattamento termico Morfologia NbC Tempo di sensibilizzazione a 550°C (ore) Consigliato per servizio a lungo termine (LTS)
Solo ricottura in soluzione (1050 gradi, tempra in acqua) Solo NbC primario (grossolano, un po' di C in soluzione) 15.000-30.000 Accettabile
Solution anneal + stabilisation (850°C, 2 h)Fine intragranular NbC (most C fixed) >50.000 Migliori
Solution anneal + stabilisation (900°C, 4h)>50.000 Beste NbC molto fine, fissazione completa del C
Stabilizzazione grossolana senza solubilizzazione Solo NbC (incompleto) 10.000-20.000 Borderline
Nessuna stabilizzazione (come saldato)Misto 5.000-15.000Non consigliato
Raccomandazioni pratiche per la selezione del riscaldatore per un servizio a 550 gradi

Per il funzionamento continuo dei riscaldatori con guaina a 550 gradi, si applicano i seguenti parametri per la selezione della lega a seconda della durata di servizio prevista:

Vita utile desiderata a 550 gradi (ore) Requisito minimo di stabilizzazione della lega suggerito Fattore di costo di resistenza alla sensibilizzazione previsto<5,000 316L (0.03%C) None Acceptable 1.0× 5,000-10,000 316L (0.02%C) or 347 (minimum)1.1×10,000-20,000 347 (well stabilised) 850°C, 2h Marginal None for 316L; stabilisation optional for 347Good 1.3× 20,000-50,000 347 (completely stabilized) 900°C, 4h Excellent 1.4× >50,000 347 + high Nb (0.6-0.8%) Full stabilisation + fine grain Best 1.5× >50.000 (ambiente corrosivo) Acciaio inossidabile 310 (nessuna sensibilizzazione)N/A Non applicabile 2,0× Verifica dell'efficacia della stabilizzazione

I seguenti requisiti di approvazione si applicano agli acquirenti che specificano 347 per il servizio ad alta temperatura a lungo termine:

ASTM A262 Pratica A: Struttura a gradini (confini di grano lisci) dopo l'intera durata di servizio prevista o dopo invecchiamento accelerato (1.000 ore a 650 gradi)

ASTM A262 Pratica E: Dopo l'invecchiamento Passato (nessuna fessura dopo la piegatura)

Niobium to carbon ratio: Nb/C weight ratio >= 10 (idealmente 12-15) sul certificato della fabbrica

Certificazione di ricottura di stabilizzazione: tempo e temperatura (ovvero. 900 gradi C per 4 ore) registrati

Conclusione: 347 su 316L per un servizio esteso a 550 gradi

Carbon diffusion in 316L stainless steel heater sheaths at 550°C leads to chromium carbide precipitation and sensitisation after 5,000-10,000 hours of operation, making it susceptible to intergranular corrosion. Type 347 (niobium stabilised) with correct ratio of Nb:C (≥10:1) and stabilisation annealing (850-900°C, 2-4 hours) is not sensitised for >50.000 ore a causa del deposito permanente del carbonio come NbC intragranulare. Per un servizio continuo superiore a 500 gradi con requisiti di durata superiori a 5.000-10.000 ore, i tecnici che specificano i riscaldatori incassati dovrebbero scegliere 347 anziché 316L. Per le applicazioni più impegnative (condizioni corrosive + alte temperature) l'acciaio inossidabile 310 (25Cr-20Ni) offrirà una resistenza ancora maggiore ma a un costo più elevato. Questo quadro consente agli acquirenti di scegliere la lega più stabilizzata per il funzionamento a lungo termine in un riscaldatore ad alta temperatura correlando la frazione volumetrica di NbC con la durata di inizio della sensibilizzazione a 550 gradi.