310S vs Incoloy 800: Värme-val av värmebeständig legering för ugns- och ugnstillämpningar

Introduktion

Ugns-, ugns- och termisk-bearbetningsingenjörer står rutinmässigt inför samma materialbeslut: ange ett kostnads-effektivt värme-beständigt rostfritt stål, eller gå upp till en nickel-järn-kromlegering byggd för ihållande hög-temperaturhållfasthet.310S rostfritt ståloch Incoloy 800 (inklusive 800H- och 800HT-varianterna) är de två vanligast jämförda kandidaterna för detta beslut. Båda motstår oxidation vid höga temperaturer, båda är lätta att tillverka och svetsa, och båda visas rutinmässigt i ugnsdörrar, mufflar, strålningsrör och värme-behandlade fixturer.

Deras prestanda avviker dock kraftigt när uppkolande atmosfärer, ihållande mekanisk belastning eller långa serviceintervall väl kommer in i bilden. Den här artikeln jämför de två legeringarna med avseende på sammansättning, temperaturkapacitet, oxidations- och uppkolningsmotstånd, kryphållfasthet-brottstyrka, tillverkningskrav och total ägandekostnad, så att ingenjörer och köpare kan matcha legeringen till applikationen snarare än tvärtom.

Vad skiljer 310S från Incoloy 800 metallurgiskt?

Sammansättningsskillnaden är grundorsaken till varje nedströms prestandaskillnad som diskuteras i den här artikeln. 310S bär krom som sitt primära legeringselement och nickel som en sekundär austenitstabilisator, vilket är anledningen till att den klassificeras som ett rostfritt stål snarare än en nickellegering. Incoloy 800 inverterar det förhållandet: nickel är majoriteten av legeringstillsatsen, krom är sekundärt och järn utgör balansen snarare än basmetallen. Det högre nickelinnehållet är det som ger legeringarna i 800-serien deras motståndskraft mot koldiffusion och deras bibehållna hållfasthet vid temperatur - men nickel är också den dyrare råvaruinsatsen, varför Incoloy 800-seriens produkter har en ihållande kostnadspremie över 310S.

Källa: ASTM A240/A480 (310S); ASTM B407/B408/B409 och UNS N08810 fabriksspecifikationer (Incoloy 800H). Områden är nominella specifikationsgränser; verifiera mot den aktuella brukstestrapporten.

Två andra sammansättningsdetaljer har betydelse för ugnsservice. För det första är 310S en variant med låg-kolhalt av standardkvalitet 310 (som tillåter upp till 0,25 % kol); det lägre kolet i 310S förbättrar motståndet mot sensibilisering och intergranulär korrosion efter svetsning. För det andra är Incoloy 800H i sig en kontrollerad-kol, kontrollerad-kornstorlek-variant av basen Incoloy 800, och Incoloy 800HT stramar ytterligare aluminium-plus-titanintervallet - för att höja hållfastheten{15}, specifikt för att höja styrkan{1} och process-uppvärmningstjänst, som diskuteras i avsnitt 4.

Vilken legering tål högre kontinuerliga driftstemperaturer?

310S är vanligtvis klassad för kontinuerlig oxidationsbeständighet upp till cirka 2 000 grader F (1 093 grader ) och för intermittent eller lätt cyklisk service till ett liknande område, på grund av dess höga krominnehåll. Den praktiska begränsningen för 310S i ugns- och ugnsdrift är inte oxidskalan - det är sigma-fasbildning. Efter långvarig exponering mellan ungefär 1 200 grader F och 1 650 grader F (650–900 grader), kan 310-familjen av rostfritt stål bilda en spröd intermetallisk sigma-fas som minskar sega och duktilitet vid rumstemperatur. Utrustning som cyklar genom detta temperaturband upprepade gånger, såsom ugnsdörrar och brännarkomponenter, är mer utsatt för denna effekt än utrustning som arbetar kontinuerligt överst i temperaturområdet.

Incoloy 800Hoch 800HT är klassade för lång-service upp till cirka 2 000 grader F (1 093 grader), med korta-utflykter möjliga utöver det till priset av accelererad hållfasthetsförlust och oxidation. Eftersom legeringarna i 800--serien är lösningsglödgade- vid minst 2 100 grader F (1 149 grader ) för att ge en grövre, mer krypbeständig kornstruktur, och eftersom deras högre nickelinnehåll undertrycker samma sigma-fas-mekanism som påverkar hållbarheten och hållbarheten i 310 grader. en bredare del av ugnens driftområde, inklusive genom upprepad termisk cykling.

Vilken legering ger bättre motståndskraft mot oxiderande och uppkolande atmosfärer?

Oxidationsbeständigheten i båda legeringarna kommer i första hand från krom, som bildar en skyddande krom-oxidskala vid hög temperatur. 310S bär faktiskt mer krom än Incoloy 800H (ungefär 25 % mot ungefär 21 %), vilket är en anledning till att 310S förblir en stark, ekonomisk oxiderande atmosfär i rena och ekonomiska miljöer. ugnsskal och brännarbeslag.

Förkolningsmotstånd är en annan mekanism, och det är här de två legeringarna skiljer sig skarpast. Kolöverföring till metallytan från en kol-rik atmosfär beror starkt på nickelhalten, eftersom nickel har mycket låg löslighet för kol och saktar ner dess inåtgående diffusion. Fältdata om 800H-slangar i bearbetning av kolväten för kolväte- visar att legeringen bibehåller duktilitet och strukturell integritet efter år av exponering, under förhållanden där rostfria stål av lägre-nickel 310-familj uppkolar mätbart snabbare. Detta är den främsta anledningen till att Incoloy 800H är det befintliga materialet för etenpyrolysrör, komponenter för kolvätekrackningsugnar och värmebehandlingskorgar och fixturer som ser upprepade uppkolningscykler.

Jämförelser av publicerade korrosions-hastigheter i raffinaderiugnsmiljöer illustrerar gapet: Incoloy 800H/800HT-legeringar har uppmätts till cirka 0,15 mm/år (6,0 mpy), jämfört med cirka 0,23 mm/år (8,9 mpy) för 310-familjens jämförbara rostfria förhållanden. En lägre korrosionshastighet leder direkt till längre komponentlivslängd och färre oplanerade avbrott för inspektion eller utbyte.

Hur jämförs krypning och stress-brottstyrka vid förhöjd temperatur?

Krypning är den långsamma, tidsberoende-deformationen av metall under ihållande belastning vid hög temperatur, och spännings-brottstyrka beskriver hur mycket spänning ett material kan bära innan det spricker efter ett givet antal drifttimmar. Den här egenskapen har betydelse för alla ugnskomponenter som är under belastning medan de är heta - ett strålningsrör under inre tryck, en hängare som stöder eldfast material eller en spole i en pyrolysugn - till skillnad från komponenter som helt enkelt utsätts för värme utan någon betydande mekanisk belastning, såsom en muffelfoder.

310S erbjuder måttlig kryphållfasthet-, lämplig för lätt belastade komponenter. Incoloy 800H och 800HT utvecklades speciellt för att förlänga krypbrottslivslängden utöver vad standard 800 eller 310-familjen rostfria stål tillhandahåller, genom kontrollerad kolhalt (0,05–0,10 %) och en grov-kornlösningsglödgning, minst 104 grader F, (104 grader F, 1). Incoloy 800HT drar åt aluminium-och-titanspecifikationen ytterligare, för applikationer som kräver den längsta praktiska livslängden under långvarig högtemperaturpåfrestning, såsom etenugnsrör och pyrolysspolar.

Källa: Sammanställd från ASTM A240/B407/B409 specifikationsdata och publicerade hög-temperaturkorrosions-hastighet och mekaniska-egenskapsstudier för 310/310H och Incoloy 800H/800HT inom raffinaderi- och ugnsservice. Verifiera tillåten design mot nuvarande ASME Section II Part D eller tillämplig kodutgåva innan den slutliga specifikationen.

Vad är kostnadsskillnaden och när är premien motiverad?

Nickel är genomgående den största enskilda drivkraften för legeringstilläggspriser för båda materialen, men Incoloy 800H/HT bär ungefär 50 viktprocent mer nickel än 310S, och nickel handlas vanligtvis till en betydande multipel av krom och järn som utgör det mesta av 310S:s legeringsinnehåll. Detta gör 800-seriens legeringar till det dyrare köpet på per-pund eller per-linjärfotsbasis, innan tillverkning ens övervägs.

Beslutsramen som följer av den tekniska jämförelsen ovan är enkel. Ange 310S när komponenten ser en ren oxiderande atmosfär, lätt eller ingen mekanisk belastning och måttlig-livslängd - ugnsskal, dörrar, fläktar och icke-last-sköldar är vanliga passningar. Ange Incoloy 800H eller 800HT när komponenten är under ihållande belastning vid temperatur, exponerad för en uppkolande eller sulfidiseringsatmosfär, eller när kostnaden för en oplanerad driftstopp för att ersätta en defekt komponent avsevärt överstiger materialkostnadspremien - strålningsrör, process-värmeelement{1} och värmesprickor{1},{1} fixturer med långa uppkolningscykler är vanliga passningar.

Hur skiljer sig kraven på tillverkning, svetsning och värmebehandling?

310S är lösningsglödgad- i området 1 900–2 100 grader F (1 030–1 150 grader ) följt av snabb kylning, vilket återställer karbider i lösningen och maximerar korrosionsbeständigheten. Om 310-familjeutrustning har fått utökad service över 1 200 grader F (650 grader) och sigma-fas har bildats, kan duktiliteten i allmänhet återställas med samma lösning-glödgningscykel; en återglödgning efter ungefär var 1 000:e drifttimme över 1 200 grader F är ett vanligt citerat underhållsintervall för utrustning som är benägen att bilda sigma.

Incoloy 800H och 800HT kräver en lösningsglödgning vid minst 2 100 grader F (1 149 grader ) - märkbart högre än glödgningen som används för 310S - specifikt för att producera en grövre kornstruktur (vanligtvis ASTM-kornstorlek Ingen{{9}{1} som förbättrar 0}-livslängden för krukor. Båda legeringarna är svetsbara med standard gasvolframbåge- och skärmade metallbågsprocesser med matchande eller nästan{12}}matchande tillsatsmetall, och båda är konventionellt kall-formade, även om 800-seriens legeringar kan uppvisa en karakteristisk ytstruktur ("apelsinskal") efter kraftig kallformning på grund av sin kostorlek.

Vilken legering ska du specificera för vanliga ugns- och ugnskomponenter?

Källa: Allmän urvalsvägledning baserad på dokumenterade legeringsegenskaper och allmän praxis för industriell ugn/ugn. Komponentspecifikt-val bör ta hänsyn till faktisk atmosfärskemi, tryckklassificering, termisk cyklisk frekvens och tillämplig designkod.

Vanliga frågor

F: Kan 310S och Incoloy 800H användas omväxlande i samma ugn?

A: Inte generellt. De har olika värmeutvidgningshastigheter och olika krypbeteende, så att blanda dem i en enda svetsad enhet under belastning kan skapa differentiell stress. Där båda legeringarna förekommer i samma ugn, används de vanligtvis i separata, oberoende understödda komponenter -, till exempel ett 310S-skal med Incoloy 800H inre rör.

F: Är Incoloy 800 samma sak som Incoloy 800H eller 800HT?

S: Nej. Standard Incoloy 800 (UNS N08800) tillåter ett bredare kolområde och bär inte den grova-korniga, hög-temperaturlösningsglödgningen som ger 800H (UNS N08810) och 800HT (UNS N08811) deras överlägsna krypstyrka{9}}. I nuvarande ugns- och processvärmarespecifikationer-har 800H och 800HT till stor del ersatt standard 800.

F: Kräver 310S värmebehandling efter-svetsning?

S: Inte för korrosionsbeständighet i de flesta ugnstillämpningar, eftersom 310S är en låg-kolhalt med god beständighet mot svetsrelaterad-sensibilisering. Om utrustningen kommer att se utökad tjänst i sigma-fas-omfånget, är en periodisk lösningsglödgning - inte en stressavlastning - den lämpliga korrigerande behandlingen, inte ett rutinmässigt efter-svetskrav.

F: Vilken är den praktiska temperaturgränsen för kontinuerlig 310S-tjänst?

S: Cirka 2 000 grader F (1 093 grader ) för kontinuerlig oxiderande service, med förbehållet att utrustning som cyklar genom intervallet 1 200–1 650 grader F (650–900 grader) upprepade gånger utsätts för sigma-fasförsprödning över tid och bör omvärderas för periodisk{1}.

F: Varför spelar nickelinnehåll så stor roll för uppkolningsmotståndet?

S: Kol har mycket låg löslighet i nickel och diffunderar in i det långsammare än till järn eller krom. Eftersom Incoloy 800H bär ungefär 30–35 % nickel jämfört med ungefär 19–22 % för 310S, penetrerar kol dess yta långsammare under identiska uppkolningsförhållanden, vilket är huvudorsaken till att 800H överträffar 310-familjens rostfria stål i uppkolningsugnar.