Czym gatunki stali nierdzewnej 304 i 316 różnią się pod względem odporności na korozję w zastosowaniach z płytami grzejnymi?

Nieprzywierająca-wymaga płytek teflonowych. Aby zapewnić trwałość i odporność na korozję, wymagane są płyty grzewcze ze stali nierdzewnej. Dwa najpopularniejsze gatunki austenitu, 304 i 316, wyglądają praktycznie tak samo, ale różnią się znacznie pod względem odporności na niektóre czynniki korozyjne-, co może decydować o żywotności blachy. Aby zminimalizować wczesne awarie i nieplanowane przestoje, ważne jest, aby inżynierowie byli świadomi różnych zachowań korozyjnych stali nierdzewnej 304 i 316 przy wyborze płyty grzewczej do ogrzewania w procesach przemysłowych, sprzętu laboratoryjnego lub zastosowań w przetwórstwie żywności.

Skład chemiczny: rola molibdenu
Obie gatunki 304 i 316 to austenityczne stale nierdzewne, co oznacza, że ​​mają sześcienną strukturę kryształu (sześcienna-centrowana powierzchnia), która zapewnia im dobrą odkształcalność i trwałość. Obydwa zawierają chrom (Cr) i nikiel (Ni) jako główne pierwiastki stopowe. Stal nierdzewna jest odporna na korozję dzięki pasywnej warstwie tlenku, którą chrom tworzy na powierzchni. Nikiel stabilizuje strukturę austenitu i zwiększa odporność na kwasy redukujące.

Różnicę stanowi molibden (Mo). Klasa 304 nie zawiera molibdenu. Klasa 316 zawiera około 2-3% wagowych molibdenu. Ten pozornie niewielki wzrost zasadniczo zmienia zachowanie elektrochemiczne stopu w obecności chlorków i niektórych kwasów.

Stal nierdzewna 304 - Typowy skład: 18% chromu, 8% niklu, reszta żelaza. Maksymalna zawartość węgla 0,08% w gatunku zwykłym (304L ma niższą zawartość węgla dla lepszej spawalności).

Stal nierdzewna 316 Typowy skład: 16-18% chromu, 10-14% niklu, 2-3% molibdenu, reszta żelaza. Głównym dodatkiem stopowym jest molibden.

Również stężenie niklu jest znacznie wyższe w 316 (10-14% vs 8-10,5% w 304), co zwiększa odporność na warunki redukujące.

Jak molibden wpływa na odporność na korozję
Molibden na wiele sposobów zwiększa odporność na korozję. Zagęszcza pasywny film tlenkowy, tworząc bardziej stabilny film i mniej podatny na degradację przez jony chlorkowe. Molibden ogranicza także tworzenie się i rozszerzanie wżerów-małych, zlokalizowanych miejsc korozji, które mogą wnikać głęboko w metal.

Głównym wyróżnikiem jest liczba równoważna odporności wżerowej (PREN), która jest wzorem empirycznym stosowanym do oceny odporności stali nierdzewnych na korozję wżerową w środowiskach zawierających chlorki. Typowy wzór na PREN to:

PREN=%Cr + 3.3 x %Mo + 16 x %N

Dla gatunków normalnych (bez celowego dodatku azotu):

Stal nierdzewna 304: PREN ≈ 18 + 3.3 × 0 + 0=18 (zwykle 18-19)

Stal nierdzewna 316: PREN ≈ 17 + 3.3 × 2.5 + 0=25.25 (zwykle 24–26)

Wyższa wartość PREN wynosząca 316 oznacza znacznie lepszą odporność na korozję wżerową i szczelinową, szczególnie w warunkach ciepłych chlorków, takich jak woda morska,-sole odladzające lub atmosfera przybrzeżna.

Porównanie odporności na korozję płyt grzewczych
Oprócz środowiska procesowego, płyty grzejne są również narażone na działanie wysokich temperatur, które mogą przyspieszyć korozję. Większość porównań wydajności płyt grzewczych ze stali nierdzewnej 304 i 316 zależy od obecności żrących substancji chemicznych.

Korozja atmosferyczna – ogólnie
Zarówno 304, jak i 316 są podobne w czystych wnętrzach lub suchych obszarach zewnętrznych o niskim poziomie zanieczyszczenia. Pasywna warstwa tlenku jest nadal obecna, a szybkość korozji jest niewielka.. 304 Często jest odpowiedni i tańszy do płyt grzewczych do pieców laboratoryjnych, grzejników do procesów suchych lub podgrzewanych płyt w regulowanych obudowach.

Korozja wżerowa i szczelinowa wywołana chlorkami
Miejscowa korozja na płytach grzewczych ze stali nierdzewnej jest najczęściej powodowana przez chlorki (sole). Źródła: Post:

Woda słonawa lub spray wody morskiej

Sole odladzające-przewożone do zakładów przetwórstwa spożywczego

Chlorowane środki czyszczące (wybielacze, podchloryn sodu)

kwas solny lub chlorki metali w płynach procesowych

Mgła solna (atmosferyczna) znad wybrzeża

W obecności chlorków i tlenu warstwa pasywna 304 może zawieść w słabych punktach (wtrącenia, zarysowania lub pęknięcia). Po rozpoczęciu wgłębienia lokalna kwasowość w jamie przyspiesza proces rozpuszczania. Wgłębienia mogą przedziurawić płytę grzejną w ciągu kilku tygodni lub miesięcy, powodując wycieki elementów elektrycznych lub zanieczyszczenie procesu.

Stal nierdzewna 316 z dodatkiem molibdenu jest znacznie bardziej odporna na inicjację wżerów. Ta różnica PREN wynosząca około 7 punktów oznacza, że ​​znacznie wyższa temperatura korozji wżerowej (PCPT). 304 będzie powodować korozję w wodzie morskiej w temperaturze otoczenia w krótkim czasie, ale wartość 316 zasadniczo nie ulegnie zmianie. Zdecydowanie zaleca się, aby płyty grzewcze, które można myć chlorowanymi detergentami lub poddawać działaniu mgły solnej, były wykonane ze stali 316.

Odporność na kwasy
Płyty grzewcze są czasami stosowane w kontakcie z kwaśnymi płynami przemysłowymi lub roztworami czyszczącymi:

Kwas siarkowy (H₂SO₄) – 316 ma zwiększoną odporność, szczególnie w umiarkowanych stężeniach i temperaturach. Molibden podnosi odporność na kwasy redukujące. Jednakże oba gatunki mają ograniczoną zawartość gorącego stężonego kwasu siarkowego.

Kwas solny (HCl) – żaden gatunek nie jest zalecany w przypadku znacznego narażenia na HCl, ale 316 działa nieco lepiej w niskich stężeniach i temperaturze pokojowej.

Kwas azotowy (HNO3) - Zarówno 304, jak i 316 mają dobrą odporność na kwasy utleniające, takie jak kwas azotowy. 304 jest zwykle stosowany w kwasie azotowym, ponieważ molibden w 316 nie przynosi żadnych korzyści.

Często preferowany jest kwas fosforowy (H3PO4) – 316, zwłaszcza w podwyższonych temperaturach, ze względu na zawartość molibdenu.

Kwas octowy i kwasy organiczne - Obydwa gatunki są dobre, na ogół wystarczająca jest klasa 304.

W rzeczywistości 304 jest często używany do podgrzewania płyt w przetwórstwie spożywczym (gdzie obecne są kwasy organiczne z owoców lub nabiału). Jeśli masz płyty grzewcze do procesów chemicznych w kwasie siarkowym lub fosforowym, najlepszym wyborem będzie 316.

Pęknięcie korozyjne naprężeniowe (SCC)
Pękanie korozyjne naprężeniowe chlorków może wpływać na austenityczne stale nierdzewne, gdy spełnione są jednocześnie trzy warunki: naprężenie rozciągające (w tym naprężenia szczątkowe powstałe podczas produkcji), chlorki i ekstremalne temperatury (zwykle powyżej 60 stopni). Płyty grzewcze są często poddawane naprężeniom termicznym i mogą wykazywać naprężenia szczątkowe powstałe w wyniku formowania lub spawania.

Zarówno 304, jak i 316 są podatne na działanie chlorków SCC, jednak 316 ma nieco lepszą odporność ze względu na wyższą zawartość niklu i molibdenu. Żaden gatunek nie jest naprawdę bezpieczny w trudnych warunkach chlorkowych i wysokich temperaturach. W takich warunkach należy zbadać więcej materiałów wysokostopowych (np. stale nierdzewne typu duplex lub stopy niklu). Jednak w przypadku większości zastosowań płyt grzejnych poniżej 80°C, 316 zapewnia znaczną redukcję ryzyka SCC w porównaniu do 304.

Tabela porównawcza płyt grzewczych ze stali nierdzewnej 304 i 316
Stal nierdzewna 304 Właściwość stali nierdzewnej 316
Typowy skład 18% Cr, 8% Ni,<0.08% C 16-18% Cr, 10-14% Ni, 2-3% Mo Molybdenum Content 0% 2-3% PREN (Pitting Resistance) ~18-19 ~24-26
Odporność na wżery chlorkowesłaba do umiarkowanej (łatwo wżery w ciepłej wodzie morskiej lub wybielaczu) Dobra do bardzo dobrej (odporność na wżery w wodzie morskiej o temperaturze otoczenia)
Odporność na korozję szczelinową Słaba Umiarkowana (lepsza niż 304, ale wrażliwa w ciasnych szczelinach)
Odporność na kwas siarkowy Niska (niskie stężenie, niska temperatura) Umiarkowana (lepsza niż 304, szczególnie przy napowietrzaniu)
Odporność na kwas azotowy Doskonała Doskonała (brak przewagi Mo)
Odporność na kwasy organiczne Dobra Dobra (trochę lepsza)
Podatny na pękanie korozyjne naprężeniowe (Chlorek SCC) > ~ 60 stopni Mniej dotknięty (ale nie odporny)
Maksymalna ciągła temperatura pracy w powietrzu ~870 stopni (niebezpieczeństwo uczulenia podczas spawania) ~870 stopni (podobnie)
Przewodność cieplna (100 stopni) ~16,2 W/m-K ~16,3 W/m-K
Koszt materiału niższy (gatunek podstawowy) wyższy (około. 30-50% więcej niż 304)
Powszechne zastosowanie płyt grzewczych Piece suszące Ogrzewacze do obróbki wnętrz Sprzęt spożywczy (czyszczenie nie{0}}chlorowane) Przemysł ogólny Przemysł morski, obiekty przybrzeżne, czyszczenie chlorem, przetwarzanie chemiczne, farmaceutyka
Instrukcje praktycznego zastosowania
Kiedy 304 wystarczy
Płyty grzewcze ze stali nierdzewnej klasy 304 nadają się do:

Zastosowania z ogrzewaniem na sucho (bez kontaktu z cieczą lub tylko z czystą wodą o niskiej zawartości chlorków)

Otoczenie wewnętrzne, klimat kontrolowany, brak ekspozycji na sól.

Przetwórstwo żywności, w którym czyszczenie odbywa się przy użyciu-chlorowanych detergentów (np. środków czyszczących na bazie żrących lub kwasów-).

Płyty grzejne do użytku laboratoryjnego. Do substancji nie-żrących.

Ogólne ogrzewanie przemysłowe, w którym płyta nie jest zanurzona w substancjach żrących.

304 ma wystarczającą odporność na korozję przy niższym koszcie w niektórych zastosowaniach. Wysoka przewodność cieplna i odkształcalność stopu ułatwia wytwarzanie skomplikowanych kształtów płyt.

Kiedy stosować stal nierdzewną 316
W zastosowaniach, w których stosowane są chlorki lub niektóre kwasy, zdecydowanie preferowany jest 316:

Instalacje przybrzeżne lub morskie - 304 szybko korodują pod wpływem mgły solnej unoszącej się w powietrzu. 316 do ogrzewania płyt na pokładach statków, platformach przybrzeżnych lub w pobliżu plaż.

Zanurzenie w wodzie słonawej lub morskiej – grzałki zanurzeniowe do słonej wody muszą być wykonane ze stopu 316 lub więcej, takich jak super-austenityczny lub tytan.

Czyszczenie przy użyciu związków na bazie chloru – wiele firm spożywczych i farmaceutycznych wykorzystuje podchloryn sodu (wybielacz) lub dwutlenek chloru jako środek dezynfekujący,. 304 który może powodować wżery po częstym narażeniu 316 jest odporny na te substancje.

Płyny procesowe zawierające chlorki - Kąpiele galwaniczne (np. chlorek cynku), roztwory trawiące lub woda chłodząca o wysokiej zawartości chlorków.

Kwas siarkowy lub fosforowy - 316 oferuje wysoki margines bezpieczeństwa w porównaniu do 304 przy umiarkowanych stężeniach.

Wysoka temperatura i wilgotność - Kondensacja wilgoci-bogatej w chlorki na gorącej płycie powoduje wżery; 316 minimalizuje to ryzyko.

Warto wspomnieć, że 316 nie jest rozwiązaniem uniwersalnym. 316 będzie korodować nawet w bardzo trudnych warunkach (np. gorący, mocny kwas solny,-woda morska o temperaturze przekraczającej 50 stopni. Tak trudne warunki wymagają droższych stopów (904L, Hastelloy lub tytan).

Względy termiczne i produkcyjne
Zarówno stal 304, jak i 316 mają podobną przewodność cieplną (około 16 W/m·K), która jest mniejsza niż stal węglowa czy aluminium, ale wystarczająca do zastosowań z płytami grzejnymi, gdzie konstrukcja (wbudowane grzejniki kasetowe lub-elementy odlewane) zapewnia równomierną dystrybucję ciepła. Współczynnik rozszerzalności cieplnej jest również podobny (oba wynoszą około 17 µm/mK)

Drobne różnice w wykonaniu. Obydwa nadają się do obróbki mechanicznej, spawania i formowania w normalnych procesach. Jednak gatunek 316 wymaga nieco wyższych nacisków skrawania i charakteryzuje się wyższą-szybkością utwardzania. Obydwa gatunki należy spawać przy użyciu wersji niskowęglowych (304L i 316L), aby uniknąć uczulenia (wytrącanie się węglika chromu) w strefie wpływu ciepła, co obniża odporność na korozję.

W przypadku obu gatunków należy zachować ostrożność w przypadku płyt grzewczych pracujących w temperaturach przekraczających 400 stopni, ze względu na możliwość tworzenia się kamienia i utraty warstwy pasywnej po długotrwałej ekspozycji. Ani stal nierdzewna typu 304, ani typu 316 nie jest dopuszczona do ciągłej pracy w temperaturach powyżej 800 stopni w atmosferach utleniających.

Kwestie gospodarcze
Normalny koszt stali nierdzewnej 316 wynosi 30–50% więcej niż 304 funty. Koszt przyrostowy płyty grzewczej może być znikomy w przypadku małych płyt lub znaczny w przypadku dużych i grubych płyt. Należy jednak wziąć pod uwagę cały koszt posiadania. Płyta grzewcza 304 ulegnie degradacji w ciągu sześciu miesięcy w środowisku chlorku i będzie wymagać wymiany, przestoju procesu i ewentualnego oczyszczenia z zanieczyszczeń. Koszt początkowy jest wyższy, ale płyta 316, która wytrzymuje 5 lat, jest prawie zwykle tańsza.

W rzeczywistości wielu inżynierów stosuje praktyczną zasadę, że w przypadku jakichkolwiek niejasności dotyczących narażenia na chlorek należy określić wartość 316. Początkowe nakłady są niewielkie w porównaniu z ryzykiem przedwczesnej awarii.

Podsumowując
Główną różnicą pomiędzy płytami grzejnymi ze stali nierdzewnej 304 i 316 jest jeden składnik – molibden. Gatunek 304 to stosunkowo tania-stal nierdzewna ogólnego przeznaczenia niezawierająca molibdenu, przeznaczona do stosowania w warunkach suchych lub lekko korozyjnych. Gatunek 316, zawierający 2-3% molibdenu, ma znacznie lepszą odporność na korozję wżerową i szczelinową wywołaną chlorkami i lepiej radzi sobie w kwasach siarkowym i fosforowym.

316 to materiał z wyboru do płyt grzewczych mających kontakt z wodą morską, mgłą solną, chlorowanymi chemikaliami czyszczącymi lub kwaśnymi płynami procesowymi. Zwiększone koszty materiałów są równoważone dłuższą żywotnością, mniejszą ilością konserwacji i możliwością uniknięcia katastrofalnych awarii wżerowych.. 304 to w pełni odpowiedni i tani wybór do zastosowań czystych, suchych lub niezawierających chlorków w pomieszczeniach zamkniętych. Przy wyborze materiałów należy wziąć pod uwagę rzeczywiste środowisko chemiczne, któremu będzie poddawana płyta grzejna, i porównać je z niebezpieczeństwem korozji i początkowymi kosztami.